CN105264080A - 用于从生物质制备反应性中间体的助熔剂 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种由木质纤维素生物质制备反应性中间体的系统。所述反应性中间体可用作进行生物转化的平台化合物，或者可进一步催化改质而用作燃料的普适型试剂。本公开还提供了可用于将生物质加工成生物燃料和中间体的方法和组合物。

Description

用于从生物质制备反应性中间体的助熔剂

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年4月27日提交的美国临时申请No.61/816,713的优先权，该临时申请的公开内容全文以引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及单相水性助溶剂体系，该体系用于处理木质纤维素生物质，以便提取木质素并制备反应性中间体，例如单体糖、糠醛、5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸，这些反应性中间体是用于制备可持续的液体运输燃料和化学品的重要可再生前体。

背景技术

全球石油储量在不断下降，采取措施保证国内石油供应并开发经济高效的化石燃料可再生替代物的需求日益紧迫。公众越来越清醒地认识到广泛使用不可再生化石燃料会导致大气中二氧化碳排放失衡，他们向发达国家施压，要求其逐步将生物质衍生燃料运用于运输行业中。木质纤维素生物质是地球上最丰富的有机碳资源，还是唯一一种能够替代化石燃料并持续满足运输行业能源需求的相当廉价的可再生资源。这种生物质主要由三种聚合物成分构成：纤维素、半纤维素和木质素。纤维素为晶体结构，由称为葡聚糖的线性β-1,4连接葡萄糖单元组成。半纤维素为无定形结构，通常主要由称为木聚糖的β-1,4连接木糖单元高分子链组成，其中木聚糖为大多数阔叶树种、农业残留物和草本能源作物中的主要半纤维素成分。木质素为共价键合到半纤维素的交联异质复合物，涉及称作木质素单体的苯丙醇单元的聚合物。仅仅最大限度利用木质纤维素生物质中的这三种成分来制备反应性中间体(包括燃料前体)，就可经济实惠地生产生物燃料，从而持续满足当前以及未来的能源需求。

发明内容

本公开描述了一种生物炼制方法，该方法可最大程度提高对各类木质纤维素生物质原料中的糖类和含碳物质的利用率，使反应性中间体产量适于转化为生物燃料和生物化学品。该方法涉及使用水性四氢呋喃(THF)的单相混合物进行的纤维素生物质原料的一步反应。在一些实施例中，该混合物还包含酸催化剂。生物质在约100℃或更高的温度下温育。该反应催化并促进水解生物质糖(例如木糖和葡萄糖等)的产生和从水解生物质糖产生脱水产物(例如，糠醛(FF)、5-羟甲基糠醛(5-HMF)和乙酰丙酸(LA))，以及从剩余的未反应的富含己糖的固体移除不溶于酸的木质素。通过改变THF浓度、反应温度、反应时间、催化剂类型和催化剂添加量后，可改变这些反应性中间体的产物分布。该工艺有益于其他纤维素预处理及转化技术，原因如下：这种工艺是一步式综合单相方法，操作成本和材料成本低；脱水产物和糖产物的收率高；易于放大为分批工艺或连续工艺；对用作进料的纤维素材料无特殊要求；使用低沸点溶剂，可再利用性高。

本公开利用水混溶性溶剂(例如四氢呋喃)作为一锅法反应方案中的助溶剂，促进直接由木质纤维素生物质靶向生成初级和次级反应性中间体(RI)(例如单体糖、糠醛、5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸)以及分离的木质素。在一些实施例中，四氢呋喃助溶剂混合物与基于酸的催化剂结合使用。这类反应性中间体可用作燃料的前体。

本公开提供了一种综合生物炼制工艺，该工艺可采用THF之类的助溶剂来提高直接由木质纤维素或纤维素生物质生成的反应性中间体的产量。四氢呋喃是一种低沸点溶剂，其可直接由作为最终副产物的糠醛通过催化脱羰为呋喃，然后氢化而制备。

本公开提供了含水单相溶液中的四氢呋喃与合适的酸催化剂以促进(1)生物质原料的分级分离和(2)生物质原料的解构/溶解以及(3)提高一步催化转化过程中反应性中间体的产量。作为助溶剂的四氢呋喃可(4)直接增加克拉松(Klason)木质素和在没有四氢呋喃时通常会积聚起来的降解焦油的溶解度。通过改变工艺条件，(5)该溶剂体系还使得能制备富含葡聚糖的经预处理的固体，与采用经典预处理技术处理过的相比，这种富含葡聚糖的经预处理的固体更容易酶促水解为可发酵的葡萄糖或采用热化学方法进一步转化为更多乙酰丙酸。

本公开提供了一种由生物质制备反应性中间体的方法，包括：在用以产生富含葡聚糖的固体材料、单体糖、糠醛、5-羟甲基糠醛和木质素产物的条件下，用包含水性四氢呋喃助溶剂混合物的组合物处理生物质。本公开提供了一种由生物质生产反应性中间体的方法，包括：在用以生产富含葡聚糖的固体材料、单体糖、糠醛、5-羟甲基糠醛和木质素产物的条件下，用包含水性四氢呋喃和酸催化剂助溶剂混合物的组合物处理生物质。在一个实施例中，所述助溶剂混合物在标准温度和压力(STP)下为单相的。在另一个实施例中，酸催化剂选自无机酸、有机酸和金属卤化物酸。在又一个实施例中，就任一前述内容来说，酸催化剂为硫酸、盐酸、硝酸、乙酸、甲酸、三氟乙酸或FeCl₃。在另一个实施例中，所述条件包括将生物质与组合物的组合加热到100℃至220℃。在又一个实施例中，该方法还包括在用助溶剂预处理生物质后，从液相移除并/或回收四氢呋喃。在又一个实施例中，该方法还包括在从液相移除四氢呋喃后，使助溶剂处理过的生物质中的木质素沉淀为固体，由此移除并/或回收木质素。在又一个实施例中，该方法还包括在用助溶剂处理生物质后，通过共沸蒸馏或溶剂提取从液相移除并/或回收糠醛。在又一个实施例中，该方法还包括在助溶剂处理过程中和/或之后，通过沸腾和/或汽提，从蒸气相移除并/或回收糠醛。在前述内容的另一个实施例中，进一步处理糠醛以经催化改质而产生四氢呋喃和/或甲基四氢呋喃。在另一个实施例中，该方法还包括回收包含C5和C6单糖和/或其低聚物的液体产物。在另一个实施例中，用碱中和该液体产物。在又一个实施例中，该方法还包括在用助溶剂处理生物质后回收固体产物，其中所述固体包含富含葡聚糖的物料。在另一个实施例中，用一种或多种能除去木糖低聚物和链长较长的木糖聚合物的酶进一步处理富含葡聚糖的物料以制备木糖单体。在另一个实施例中，用一种或多种能除去葡萄糖低聚物和链长较长的葡萄糖聚合物的酶进一步处理富含葡聚糖的物料以制备葡萄糖单体。在又一个实施例中，可使用低沸点酸(例如三氟乙酸、甲酸、乙酸等)处理富含葡聚糖的物料以制备成葡萄糖和相关低聚物。在又一个实施例中，将该富含葡聚糖的固体与微生物和/或与添加的酶温育以通过发酵来生成醇、脂肪酸或其他产物。在另一个实施例中，所述富含葡聚糖的物料可用于制备微晶纤维素(MCC)。在另一个实施例中，所述醇为乙醇。在另一个实施例中，所述醇含有一个或多个碳分子。在另一个实施例中，所述微生物选自酵母、细菌、霉菌和真菌。在另一个实施例中，对所述微生物进行工程改造，使其表达非天然存在的生物合成途径，用于代谢掉来自经处理生物质的碳源来生成醇或其他代谢物。在另一个实施例中，将所述富含葡聚糖的物料用作纸浆。在另一个实施例中，用四氢呋喃或二甲基亚砜(DMSO)进一步处理并捕集木质素，使其成液体状态。在另一个实施例中，酸催化剂为路易斯酸和/或布朗斯台德酸。在另一个实施例中，酸催化剂为酸性金属卤化物。在另一个实施例中，酸性金属卤化物选自AlCl₃、CuCl₂、CrCl₃、FeCl₃和ZrOCl₂。在另一个实施例中，水性四氢呋喃助溶剂包含体积比为约1:5至约7:1的四氢呋喃：水。在一个实施例中，该处理方法没有任何盐或任何添加的离子盐。在另一个实施例中，该处理方法不包括大于7:1的任何四氢呋喃：水比率(例如，小于7:1、6:1、5:1等)。

本公开还提供了一种方法，该方法将生物质的分级分离和催化转化合并，用于由生物质制备反应性中间体，包括：在用以制备糠醛、5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸、富含葡聚糖的物料和木质素的条件下，用包含四氢呋喃、水与酸催化剂的助溶剂混合物处理生物质。在一个实施例中，所述助溶剂混合物在标准温度和压力(STP)下为单相的。在另一个实施例中，酸催化剂选自无机酸、有机酸、金属卤化物酸和固体酸催化剂。在又一个实施例中，酸催化剂选自硫酸、盐酸、硝酸、甲酸、三氟乙酸、FeCl₃、AlCl₃、CuCl₂以及它们的任意组合。在又一个实施例中，所述条件包括将生物质与助溶剂混合物的组合加热到130℃至250℃。在一个实施例中，使用蒸汽喷射系统加热该反应。在另一个实施例中，该方法还包括在用助溶剂处理生物质后，从液相移除并/或回收四氢呋喃。在另一个实施例中，该方法还包括在从液相移除四氢呋喃后，使助溶剂处理过的生物质中的木质素沉淀为固体，由此移除并/或回收木质素。在另一个实施例中，该方法还包括通过蒸馏，从生物质的助溶剂处理物移除并/或回收糠醛和/或5-羟甲基糠醛。在另一个实施例中，该方法还包括在助溶剂处理期间和/或之后，通过沸腾和/或汽提从蒸气相中移除并/或回收糠醛。在另一个实施例中，进一步处理糠醛以催化脱羰和加氢而制备四氢呋喃。在另一个实施例中，该方法还包括通过与水不混溶的有机溶剂，从生物质的助溶剂处理物的液相提取并/或回收糠醛和/或5-羟甲基糠醛。在另一个实施例中，与水不混溶的有机溶剂为醚、酮、醇、烷烃或它们的任意组合。在另一个实施例中，该方法还包括在用助溶剂处理生物质后回收固体产物，其中所述固体包含富含葡聚糖的物料。在另一个实施例中，用一种或多种能除去葡萄糖低聚物和链长较长的葡萄糖聚合物的酶进一步处理富含葡聚糖的物料以制备葡萄糖单体。在另一个实施例中，将富含葡聚糖的固体用微生物和/或酶温育以生成醇或其他发酵产物。在又一个实施例中，将富含葡聚糖的固体进一步催化转化成5-羟甲基糠醛和/或乙酰丙酸。在另一个实施例中，用四氢呋喃或二甲基亚砜进一步处理并捕集木质素，使其成液体状态。在另一个实施例中，酸催化剂为路易斯酸或布朗斯台德酸。在又一个实施例中，酸催化剂为金属卤化物酸。在另一个实施例中，金属卤化物酸选自AlCl₃、CuCl₂、CrCl₃、FeCl₃和ZrOCl₂。在一个实施例中，四氢呋喃与水的体积比为约1:1至约7:1。在一个实施例中，该处理方法没有任何盐或任何添加的离子盐。在另一个实施例中，该处理方法不包括大于7:1的任何四氢呋喃：水比率(例如，小于7:1、6:1、5:1等)。

本公开还提供了一种用于执行本文所述方法的系统。在一个实施例中，该系统包括用于将生物质与四氢呋喃助溶剂的水溶液混合的容器。可使用一个或多个流体连通的阀门和管道将经处理生物质传送到用于分离固体和液体的另外的容器。这类另外的容器(或称腔室)可包括加热元件、沉降系统等(参见图2A至图2D)。

本公开还提供了一种包含生物质和水性四氢呋喃助溶剂的组合物。在一个实施例中，该组合物还可包含酸催化剂。在另一个实施例中，水性四氢呋喃助溶剂包含体积比为约1:3至约7:1的四氢呋喃：水。在另一个实施例中，酸催化剂为路易斯酸。在另一个实施例中，路易斯酸为硫酸。在另一个实施例中，酸催化剂为金属卤化物酸。在另一个实施例中，酸催化剂为布朗斯台德酸。在另一个实施例中，金属卤化物酸选自AlCl₃、CUCl₂、CrCl₃、FeCl₃和ZrOCl₂。

本领域技术人员结合以举例方式示出本发明特征的附图阅读下文的具体实施方式后，将清楚认识到本发明的其他特征和优点。

附图说明

图1示出了反应网络，图解说明了用于制备乙醇和汽油、喷气燃料以及柴油类别的芳烃和烃类燃料的初级和次级反应性中间体。5-HMF：5-羟甲基糠醛；MF：2-甲基呋喃；DMF：2,5-二甲基呋喃；MTHF：2-甲基四氢呋喃；Fur-Ale：糠醇。

图2A至图2D是本公开的示例性工艺的示意图。(A)为一种使用THF作为单相助溶剂来提高生物质分级分离和产物收率，由木质纤维素生物质制备反应性中间体与分离的木质素的方法的概念性工艺流程图。工艺要点：(1)高固含率螺杆式Pandia反应器，(2)高压(HP)锅炉，(3)挥发物移除和固体分离，(4)连续共沸蒸馏以回收糠醛、四氢呋喃和水，(5)糠醛的催化改质和氢化，以及(6)用浓缩溶液中的剩余葡萄糖和富含葡聚糖的物料制备乙酰丙酸。虚线表示循环回收料流。(B)为THF助溶剂策略建议用法的简化工艺示意图，该用法用于直接转化木质纤维素生物质以同时制备糠醛和5-HMF以供催化改质为芳烃燃料产品。将通过有机溶剂提取糠醛和5-HMF，并将它们氢化(右侧蓝色框)以制备芳烃燃料如MF和DMF。回收THF后，使木质素沉淀。(1)含有糠醛和5-HMF的有机料流；(2)含有金属卤化物催化剂、糠醛和5-HMF的水性料流。(C)为THF助溶剂策略建议用法的简化工艺示意图，该用法用于预处理木质纤维素生物质来以高收率水解C5和C6糖，然后同步糖化发酵(SSF)C5和C6糖，以高收率制得乙醇(或其他醇)。在第一预处理步骤(阶段1)中，THF助溶剂反应将所有半纤维素糖水解为液体产物进入液相，提取超过90％的不溶于酸的木质素，这种不溶于酸的木质素为高度氧化的可溶于THF的木质素产物，以及生成富含葡聚糖的经预处理的固体，该固体极易被酶消化。然后，将预处理过的固体或固体产物与液体产物分离，洗涤除去任何可溶于水的污染物。接着，从液体料流中回收并移除THF，使其循环返回第一反应步骤。移除THF后，提取的木质素产物可以固体沉淀的形式回收。随后用诸如氢氧化钙、氢氧化铵(或等同物)之类的碱中和液体料流，使其适用于发酵。下一步，把液体产物和固体产物送入发酵罐中(阶段2)，其中引入微生物和糖化酶，以生物方式将固体产物和液体产物转化为乙醇或其他醇。(D)示出一种使用THF作为单相助溶剂来提高生物质分级分离和产物收率，由木质纤维素生物质制备反应性中间体与分离的木质素的可行连续方法的简化工艺流程图。工艺要点：(1)高固含率螺杆式反应器，(2)高压(HP)锅炉，(3)挥发物移除和固体分离，(4)连续蒸馏以纯化产物，(5)糠醛的催化改质和氢化，以及(6)用较浓酸溶液中的富含葡聚糖的物料连续制备乙酰丙酸。虚线表示循环回收料流。

图3A至图3E是由170℃温度下发生的THF助溶剂反应制备的反应性中间体和富含葡聚糖的固体的浓度分布曲线图。(A)至(D)分别为以下物质在60分钟反应时间内的浓度分布曲线：(A)葡萄糖，(B)木糖+甘露糖+半乳糖，(C)乙酰丙酸，(D)糠醛(■代表使用了THF，▲代表未使用THF)。(E)示出了枫木原料的组成，以及在使用了THF助溶剂和未使用THF助溶剂的反应后剩余的富含葡聚糖的固体的组成。THF使木质素和降解焦油(未使用溶剂时会积聚起来)溶解90％(按重量计)以上。反应条件：5重量％枫木和1重量％H₂SO₄在170℃温度下分批反应。THF助溶剂溶液含有1:1比率的THF和去离子水。

图4A至图4B示出了THF助溶剂反应能够改善从木糖生成糠醛的选择性以及保护糠醛免于降解的能力。(A)在反应中由10gL^-1纯D-木糖生成糠醛的选择性(■代表使用了THF，▲代表未使用THF)以及溶液(□代表含有THF，Δ代表不含THF)中剩余的木糖。(B)反应中由6.5gL^-1纯糠醛剩余的糠醛(％)(■代表使用了THF，▲代表未使用THF)。

图5为枫木原料在1L反应器内的1％(w/w)H₂SO₄水溶液(溶剂只有水)中，于170℃温度下反应得到各种产物的收率曲线图。带数字的标记表示各反应时间的糠醛收率。

图6为枫木原料在1L反应器内的1％(w/w)H₂SO₄溶液(溶剂由四氢呋喃和水以1:3体积比混合得到)中，于170℃温度下反应得到各种产物的收率曲线图。带数字的标记表示各反应时间的糠醛收率。如图所示，溶液混合物中存在THF使反应中的糠醛收率提高多达20％。乙酰丙酸收率与溶剂只有水的反应相比也有提高，反应60分钟时提高11％以上(反应温度为生成糠醛的最佳温度)。

图7为初始曲线图，比较了纯木糖和1％(w/w)H₂SO₄的水溶液与THF溶剂溶液之间的速率常数计算值。反应使用1L反应器于170℃温度下进行。THF溶液由四氢呋喃和水的50％(v/v)溶剂混合物构成。初始木糖(XO)浓度为10g/L。标记代表归一化木糖转化率数据的线性回归结果，反应的k值由斜率表示，单位为[min^-1]。如图所示，在THF溶剂溶液中的木糖转化速率比仅在水中快得多。

图8为单次实验的曲线，比较了糠醛和1％(w/w)H₂SO₄的水溶液与THF溶剂溶液之间的糠醛降解曲线。反应使用1L反应器于170℃温度下进行。如图所示，THF溶剂溶液有助于防止多达7％的存在于溶液中的糠醛降解。

图9绘出了枫木分别在1L反应器内的THF溶剂溶液与水溶液中，开始170℃温度下的酸催化反应后，随时间推移的剩余固体级分的组成的对比。以100g未反应枫木原料的组成为基准，比较例反应过的样品。如图所示，在具有THF的反应中可除去多达90％的不可溶木质素和焦油。在未使用该溶剂的情况下，木质素和焦油的不可溶级分随时间推移逐渐增多。

图10A至图10E示出了相对于反应时间绘制的纯糖反应的转化率和选择性，该反应在具有金属卤化物酸催化剂的THF助溶剂混合物中进行。(A)木糖转化率，(B)葡萄糖转化率，(C)由木糖生成糠醛的选择性，(D)由葡萄糖生成5-HM的选择性，(E)由葡萄糖生成乙酰丙酸的选择性。反应条件：170℃，20gL^-1葡萄糖或10gL^-1木糖，THF与水的比率为1:1，催化剂添加量0.1M，使用72％硫酸将所有溶液的pH归一化为1.6。黑色方块代表pH值也被滴定为1.6的硫酸对照品。

图11示出了枫木原料的组成以及枫木原料在与1:1THF助溶剂和各种酸催化剂反应后剩余固体中各主要组分的分布，以100g送入系统的初始枫木为基准。金属卤化物提高了硫酸性能，原因是其向酶转化过程或热化学反应传递量更多的富含葡聚糖的固体，酶转化过程生成葡萄糖，热化学反应生成葡萄糖、5-HMF和/或乙酰丙酸。反应条件：5重量％枫木，0.1M酸催化剂浓度，THF与水的比率为1:1，170℃，分批反应30分钟。

图12示出了枫木原料的组成以及枫木原料在与THF：水(体积比)分别为1:1、4:1和7:1的THF助溶剂和FeCl₃·6H₂O反应后，剩余固体中各主要组分的分布。固体质量基于送入系统的100g初始枫木计。与4:1比率的情况相比，在7:1比率下，木质素级分较大、固体溶解度下降，且剩余葡聚糖级分较多，表明出现了疑似相分离。反应条件：5重量％枫木，1重量％FeCl₃·6H₂O(按无水质量计)，170℃。

图13示出了以下图像：左图，从与THF助溶剂和FeCl₃催化剂反应后的枫木中沉淀出的木质素粉末。右图，溶解在一大滴二甲基亚砜中适于催化改质为燃料或化学品的相同木质素粉末。

图14示出了来自纯葡萄糖THF助溶剂反应的液体果糖的浓度。反应条件：20gL^-1葡萄糖，THF与水的体积比为1:1，170℃，催化剂添加量0.1M(按无水质量计)。

图15示出了来自纯木糖THF助溶剂反应的液体木酮糖的浓度。反应条件：10gL^-1木糖，1:1THF：水(体积比)，170℃，催化剂添加量0.1M(按无水质量计)。

图16示出了示例性的产品流程图和物料平衡图，这些图描述了反应后液体部分和固体部分中回收的产物的质量及收率。数据显示，与第17次运行对应的表3所列反应条件获得了主要制品，因为该制品中联产糠醛和5-HMF的收率最高。由液体和固体的收率计算C6和C5产物的总回收率。

图17示出了用THF助溶剂预处理(第2、4、5和7根柱)和未使用THF只用稀酸(DA)预处理(第1、3和6根柱)玉米秸秆(CS)、枫木(MW)和杨木(PW)，选用50mM柠檬酸盐缓冲剂(pH5.0)和1500纤维素酶(添加量为：15mg蛋白质/g经预处理固体中的葡聚糖)，在50℃温度下执行酶法水解，48小时之后的葡萄糖收率对比。预处理反应条件：(1)5重量％玉米秸秆，170℃，水+1重量％H₂SO₄，40分钟；(2)5重量％玉米秸秆，170℃，1:1THF：水+1重量％H₂SO₄，40分钟；(3)5重量％枫木，160℃，水+0.5重量％H₂SO₄，30分钟；(4)5重量％枫木，160℃，1:1THF：水+0.5重量％H₂SO₄，30分钟；(5)5重量％枫木，170℃，1:1THF：水+1重量％(无水重量)FeCl₃-6H₂O，30分钟；(6)5重量％杨木，160℃，水+0.5重量％H₂SO₄，30分钟；(7)5重量％杨木，160℃，1:1THF：水+0.5重量％H₂SO₄，30分钟；(8)纤维素(97％纯α-纤维素)。

图18示出了用THF助溶剂预处理和未使用THF只用稀酸(DA)(稀硫酸)预处理(PT)玉米秸秆，选用各种纤维素酶(1500)添加量(mg酶蛋白/g经预处理样品中的葡聚糖)，在它们最佳的总糖释放条件下，释出的葡萄糖的对比。X轴代表酶法水解的时间(单位为小时)。只用稀酸进行预处理的条件为：160℃，0.5％H₂SO₄，处理20分钟(最佳时间)。用THF助溶剂进行预处理的条件为：1:1THF：水，150℃，0.5％H₂SO₄，处理25分钟(最佳时间)。

图19示出了用THF助溶剂预处理和未使用THF只用稀酸(DA)预处理玉米秸秆，选用各种纤维素酶(1500)添加量(mg酶蛋白/g经预处理样品中的葡聚糖)，将稀硫酸用作酸催化剂，在第一阶段和第二阶段(总收率(％))实现的葡萄糖、木糖以及葡萄糖加木糖的收率的对比。X轴代表酶添加量(单位为mg蛋白质/g葡聚糖)。只用稀酸进行预处理的条件为：160℃，0.5％H₂SO₄，处理20分钟(最佳时间)。用THF助溶剂进行预处理的条件为：1:1THF：水，150℃，0.5％H₂SO₄，处理25分钟(最佳时间)。还示出了以天为单位的时间，指示采用酶法水解获得最高收率的确切时间。

图20示出了用THF预处理(左上图)和未使用THF只用稀酸(DA)预处理(右上图)玉米秸秆和纤维素，选用酿酒酵母(S.Cerevisiae)(菌株D5A)同步糖化发酵(SSF)获得的乙醇收率的对比。底图还示出了发酵7天后发酵液中各组分收率的对比结果。示出了两种酶蛋白的添加量(5mg酶蛋白/g葡聚糖，15mg酶蛋白/g葡聚糖)。只用稀酸进行预处理的条件为：160℃，0.5％H₂SO₄，处理20分钟(最佳时间)。用THF助溶剂进行预处理的条件为：1:1THF：水，150℃，0.5％H₂SO₄，处理25分钟(最佳时间)。SSF条件：50℃和150rpm下预水解18小时，然后，37℃和130rpm下发酵，葡聚糖添加量为4重量％，将酿酒酵母(菌株D5A)接种到250mL摇瓶中，接种量为600nm处的OD(光密度)为0.5。X轴代表发酵时间。

图21示出了使用热纤梭菌的CBP发酵实验中，使用THF助溶剂、有机溶剂乙醇、仅稀酸(DA)预处理的固体与纤维素的增溶对比。预处理条件列于曲线图下方的表格中。CBP发酵条件：热纤梭菌DSM13131，60℃温育，MTC培养基中5克葡聚糖/L固体添加量，接种量2％(v/v)。

具体实施方式

如本文所用以及在所附权利要求书中，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。因此，举例来说，提及“一种酶”包括多种这类酶，提及“该材料”包括本领域技术人员已知的一种或多种材料，诸如此类。

另外，使用“或”意味着“和/或”，除非另有说明。相似地，“包括”、“含有”和“包含”可互换使用，并非意图进行限制。

还应当理解，如果在描述各实施例时用到了术语“包括”，那么，本领域的技术人员将会理解，在某些具体情况下，也可使用“基本上由……构成”或“由……构成”之类措词描述该实施例。

除非另有规定，否则本文使用的所有科技术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。本文描述了示例性的方法、装置和材料，但与本文所述类似或等同的方法和材料也可用于实践本文公开的方法和组合物。

上文讨论过一些出版物，下文也将提及一些，本文提供这些出版物仅仅是由于其公开日早于本申请的提交日期。本文中的任何内容都不应理解为承认本发明人因为在先公开而无权先于这类公开。

近半个世纪以来，人类广泛使用不可再生的化石燃料，对全球石油供应和环境造成了巨大压力。因此，美国和欧洲国家已在其运输行业中推广使用生物燃料，以期缓解对外国能源的依赖和环境问题。玉米乙醇一直是美国最成功的商业化生物燃料，但仍存在与玉米的种植和产量有关的可持续性问题，这迫使人们将关注焦点转向利用木质纤维素原料生产燃料。木质纤维素生物质是地球上最丰富的有机碳资源，还是一种可再生资源，其可经济地替代化石燃料来生产液体燃料，并持续满足运输行业将来的能源需求。切实可行的转化策略需有效克服木质纤维素的顽拗性以最大程度提高适于通过靶向转化技术转换为最终产物的反应性糖中间体及其衍生物的收率。就此而论，本文所用的反应性中间体(RI)包括可采用生物方式、化学方式或催化方式转化为燃料和化学品的任何糖或糖脱水产物。

纤维素和木质纤维素生物质的残留物和废弃物(例如农业残留物、木材、林业废弃物、造纸污泥以及城市和工业固体废物)提供了潜在的大量可用于生产化学品、塑料、燃料和饲料的可再生原料。纤维素和木质纤维素生物质的残留物和废弃物由包含纤维素、半纤维素和木质素的碳水化合物聚合物构成，通常可用多种化学、机械和酶法手段处理，主要释出己糖和戊糖，然后可将己糖和戊糖发酵成包括乙醇在内的有用产物，或用酸将己糖和戊糖脱水而生成糠醛、5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸，接下来就可将糠醛、5-羟甲基糠醛和乙酰丙酸催化改质为汽油、柴油和喷气燃料类别燃料。

使用预处理方法使纤维素和木质纤维素材料的碳水化合物聚合物更容易供糖化酶或酸催化剂利用。以往标准预处理方法主要是在高温下利用强酸；然而，由于其能源成本高、设备成本高、预处理催化剂回收成本高以及与糖化酶不相容，因此一直都在开发替代方法，比如用酶预处理，或在温和温度下使用酸或碱，这种情况下，预处理期间出现生物质碳水化合物聚合物的水解程度下降，从而需要改善的酶体系来使纤维素和半纤维素糖化。譬如，典型的酸催化或水热(只用到水)预处理是最便宜的预处理选项，但对更顽拗的木质纤维素原料(如硬木和软木)不太有效。这意味着必须使用更高酶添加量来实现较高的糖回收率，这显著提高了工艺成本。长期以来都将木质素的存在视作酶的抑制物，据表明，在不会显著降低经预处理材料的多孔性的情况下有效除去木质素可显著减少实现高糖回收率所需的酶用量。因而，仍需要可处理更多原料的预处理工艺，该工艺使用尽可能少的酶或完全不使用酶，就能同时脱除生物质的木质素、促进生物质溶解以及实现高的总糖收率。

图1绘出了由初级和次级反应性中间体制备乙醇以及汽油、喷气燃料和柴油类别燃料产品的反应网络。如图所示，由半纤维素生成的木糖和由纤维素生成的葡萄糖可以发酵成乙醇，或用酸催化剂脱水生成次级反应性中间体如糠醛和5-HMF。5-HMF进一步水解形成等摩尔量的更稳定产物乙酰丙酸(LA)和甲酸。LA也可由糠醛通过糠醇中间体合成。这些次级反应性中间体可通过在基于金属的固体催化剂上选择性氢化，而催化改质为潜在的燃料产物。如图所示，糠醛和5-HMF的催化氢化可分别产生有前景的汽油共混产物2-甲基呋喃(MF，研究法辛烷值(RON)为131)与2,5-二甲基呋喃(DMF,119RON)。LA氢化可产生2-甲基四氢呋喃(MTHF,86RON)，用酵母和/或细菌发酵糖可产生乙醇，这两种物质为P系列生物燃料中的主要成分。醇解LA生成乙酰丙酸乙酯(EL)(一种柴油混合原料)，而使用丙酮进行羟醛加成，次级反应性中间体与氢发生加氢脱氧可生成链长最多为16个碳原子的较长链碳氢燃料，用于喷气燃料和柴油应用。

或者，酸催化预处理纤维素生物质期间形成的诸如糠醛、羟甲基糠醛和乙酰丙酸之类的反应性中间体可以通过非均相催化剂的作用氢化和加氢脱氧为与当前燃料基础设施相容的烷烃(普适型(drop-in)燃料)(Xing等人，2010年；Huber等人，2005年)。在水性条件中通过额外加热以及酸催化剂的作用，可制备浓度更高的这些反应性中间体(Zeitsch2000)。图1绘出了葡聚糖和木聚糖形成反应性中间体的水解与脱水途径(另参见方案1)。在戊糖途径中，木聚糖首先水解为木糖，木糖然后脱水移除三个水分子而形成糠醛。糠醛在高温下进一步脱水将会生成甲酸。类似地，在己糖途径中，葡聚糖水解为葡萄糖，葡萄糖然后脱水而形成HMF。HMF在水性环境中极其不稳定，会快速分解成等摩尔量的乙酰丙酸和甲酸，直到HMF耗尽为止(Karinen2011)。

戊糖水解和脱水反应途径

己糖水解和脱水反应途径

糠醛是一种杂环醛，其由富含戊聚糖的农业原料制得，并可用作呋喃前体。可由木聚糖获得糠醛的最大理论收率为0.7273。由于戊聚糖水解的速率比由戊糖形成糠醛的速率大得多，所以在优化糠醛制备时可几乎不考虑水解的动力学。因为阿拉伯糖通常遵循与木糖相同的反应途径，因此，有理由近似认为大多数类型生物质(软木除外)中的所有戊聚糖内容物都是木聚糖(Zeitsch2000)。由于糠醛可以在水性环境中通过自身树脂化或与由戊糖生成糠醛的中间体缩合而降解，所以，通过蒸发从催化活性相中移除糠醛可防止这些损耗反应发生(Zeitsch2000)。目前在中国，糠醛主要由各种农业废弃物制成，报道的收率低于50％，由于通过汽提连续移出糠醛而获得较高收率(Win2005)。在汽提后连续蒸馏可使产物纯度高达99.5％(Win2005)。

HMF是在支链碳上具有额外醇基的具有六个碳原子的糠醛类似物。它可由果糖或葡萄糖脱水生成，使用果糖可获得较高收率(Karinen2011)。由葡聚糖生成HMF的最大理论收率为0.7785。由于果糖的环结构不如葡萄糖稳定，所以由果糖形成HMF更快。HMF在水相中进一步水解可得到乙酰丙酸和甲酸，它们是稳定物质，不会有进一步水解产物(Küster1990)。乙酰丙酸还被认为是用于生物燃料合成的重要平台化合物(Dautzenberg2010；Werpy和Peterson2004)。

要提高糠醛和HMF的收率，就必须保护其不受有催化活性的水相影响，或运用替代反应机制。

诸如糠醛和乙酰丙酸之类的反应性中间体可直接由生物质糖制成，它们是可用于制备高价值化学品和燃料的基础材料。汽油和柴油类别的烷烃可由这些反应性中间体以催化方式制备，并且改善它们的合成的不断努力使该途径已成为与工业相关的生物燃料平台备受瞩目。糠醛受到关注，因为其为制备基于呋喃的化学品的仅有几种天然前体之一，目前以低的收率(50摩尔％)由富含木聚糖的木质纤维素残留物商业制备。

催化的不断进步改善了次级反应性中间体向与当前燃料基础设施相容的所谓“普适型”燃料产品的选择性转化，但直接由木质纤维素生物质获得高的反应性中间体总收率长期以来一直是个难题。因此，迫切需要开发可将催化转化与生物质解构结合起来的有效策略，以由C5和C6糖二者联产FP，从而使生物质普适型燃料具有影响力。在综合工艺中由主要的生物质级分半纤维素、纤维素和木质素获得高的产物总收率，极有可能在将来使由生物质制备燃料的技术成为现实。已提出了各种对生物质进行酸催化的联产方案，包括联产糠醛和乙酰丙酸、糠醛和5-HMF、糠醛和纤维素，以及由糠醛和5-HMF制备乙酰丙酸，但由于生物质是复杂的非均质物质，所以许多方案的收率都比较低。举例来说，生物质解构早期阶段生成的糠醛和5-HMF会快速降解，这时还尚未由C6糖获得足够大的乙酰丙酸收率。因此，乙酰丙酸的制备和回收将必须在移走糠醛之后，从而有必要进行多级反应，这些多级反应具有多个独立的产物回收步骤、需要执行成本高昂的汽提来移走糠醛、需要使用腐蚀性无机酸并且/或者需要进行双相反应。作为另一种选择，联产糠醛和5-HMF将看起来更可取，因为这两种产物可用合适的提取溶剂一起回收，并通过单种催化剂同时转化为诸如MF和DMF之类的普适型燃料。

糠醛通常由C5糖(阿拉伯糖和木糖)的酸催化脱水反应合成，而乙酰丙酸可由C5糖或C6糖(葡萄糖、半乳糖和甘露糖)制成。水溶性的布朗斯台德酸(如酸催化剂)例如HCl和H₂SO₄通常用于催化这类脱水反应，但均相和非均相的固体催化剂也已得到成功应用。

已将各种提取溶剂用于通过减少副反应来改善反应性中间体的产量，在水中将会发生的这种副反应。在起始物料为提取的糖或纯糖的双相体系中，已显示了收率改善。在木质纤维素生物质中，半纤维素中的C5糖比纤维素中的C6糖更快水解和脱水，并且在双相体系中，由纤维素和半纤维素级分同时以高收率获得反应性中间体很难实现，原因是早在获得足够大的乙酰丙酸收率之前糠醛就会降解。此外，在高固形物浓度下维持两种可区分开的液相可能是困难的，这种高固形物浓度是合理的热载荷所需的。因此，能在由所有级分获得高产物收率的同时将半纤维素、纤维素和木质素级分分离的单相工艺会非常有用。本文证实，将预处理与酶法水解和/或催化水解结合起来是一种前景广阔的可用于提取纤维素糖并将木糖转化为糠醛的方法。

将纤维素生物质转化成生物燃料的主要途径包括：使生物质气化为合成气和后续的费托合成；热解生物质，再将其液化为生物原油；对糖的脱水化合物进行水相催化处理；以及通过预处理进行糖水解然后酶促水解固体残余物，以供微生物发酵(Yang和Wyman2008)。工艺收率、生产成本和原料的可得性对这些途径来说是主要限制因素，在使用可有效处理多种类型原料的最简单工艺时，必须能够由生物质糖获得高的产物收率。就生物转化而言，需要预处理生物质原料来最大限度提高糖类的可及性和利用率。预处理技术(如使用稀酸进行预处理)可以高收率从半纤维素中回收戊糖，并降低剩余纤维素级分的顽拗性。用稀酸预处理后必须把酸中和掉，存在非糖副产物可能会抑制下游生物催化剂。

本公开提供了四氢呋喃(THF，一种极性环醚)在含有或不含酸催化剂的水溶液中作为可混溶助溶剂预处理木质纤维素生物质的用途。本公开还提出，单相水性混合物中的THF(用作助溶剂)在如下方面极其有效：对木质纤维素生物质进行增溶、分级分离和预处理以实现高的总糖和提取木质素产物收率，来使它们有效转化为可再生的化学品和燃料。THF助溶剂预处理以至少如下方式优于竞争性预处理技术：(1)THF助溶剂可促进半纤维素和纤维素级分溶解，并催化它们水解以直接获得高收率的C5糖和C6糖，苛刻度低于主流的预处理技术，如只使用水、只使用稀酸或使用有机溶剂；(2)THF助溶剂预处理大大提高了木质纤维素生物质对糖化酶的可及性，从而使得能以比只使用稀酸的预处理低的酶添加量和反应苛刻度实现较高的C5糖和C6糖总收率；(3)THF助溶剂可使几乎所有木质素溶解并解聚(脱除超过90％的木质素)，在移走THF后通过沉淀从液相中有效回收这些溶解并解聚的木质素；(4)THF助溶剂可与无机酸、有机酸、金属盐和碱催化剂一起使用，以调整各种联产方案的产物分布；(5)来自使用THF助溶剂的反应的预处理物料可用作生物发酵(例如但不限于同步糖化发酵(SSF)或整合生物工艺(CBP))的直接进料，以比只使用稀酸预处理过的物料高的收率制得燃料产品，如乙醇；(6)助溶剂体系中的THF能够轻易通过低温蒸馏或真空蒸馏回收以供重新使用；(7)THF可再生，并且可通过糠醛氢化合成，糠醛是来自生物质的戊糖的直接酸脱水产物。

如本文所用，“THF助溶剂”或“助溶剂”是指一种介质，其中该助溶剂介质在标准温度和压力(STP)下是单相的并且含有水性介质和THF。例如，THF与水的相对比率可在1:5至7:1的范围内。

如本文所用，“酸催化剂”通常是指可溶于水的酸。在各种实施例中，酸催化剂选自无机酸、金属卤化物酸、杂多酸、有机酸或它们的组合。在一个实施例中，酸催化剂是无机酸，该无机酸选自磷酸、硫酸、盐酸和它们的任意组合。在另一个实施例中，酸催化剂是有机酸，该有机酸选自乙酸、烷基磺酸、芳基磺酸、甲酸、卤代乙酸、卤代烷基磺酸、卤代芳基磺酸、草酸和它们的任意组合。多种金属卤化物酸是已知的，包括(例如)AlCl₃·6H₂O，CuCl₂·2H₂O，CrCl₃·6H₂O，FeCl₃·6H₂O，ZrOCl₂·8H₂O。

本公开提供了一种一锅式反应方案，其中例如水、四氢呋喃和无机酸的单相溶剂混合物在约100℃或更高的温度下将催化和有利于从水解的生物质糖制备呋喃化合物以及从剩余的未反应固体中移除不溶于酸的木质素。本发明的目的是使用单相溶剂混合物来(1)将木质纤维素生物质原料中的全部戊聚糖和部分己聚糖水解为它们各自的单体糖，(2)以高收率催化所得的单体糖脱水为糠醛(FF)、羟甲基糠醛(HMF)、乙酰丙酸(LA)和甲酸(FA)，(3)将生物质中不溶于酸的克拉松木质素溶解并提取到液体级分中，以便稍后将它们转化成高价值副产物，以及(4)生成易于水解的富含己糖的固体级分，该固体级分可用于酶消化、发酵或化学转化。从下文示出的结果可以看出，有足够的证据表明目的1至4可在相关的生物炼制条件下实现。

本公开展示了四氢呋喃(THF)在综合生物炼制工艺中充当助溶剂和最终产物二者以提高由生物质制得的糠醛和其他反应性中间体产量的用途。THF是一种低沸点溶剂，在工业上可由1,4-丁二醇脱水环合制成，并以与水的共沸物的形式回收。然而，也可催化糠醛脱羰为呋喃，然后氢化，由此直接合成THF。THF是一种通用的提取溶剂，具有可在双相环境中提高提取的半纤维素糖和生物质原料的糠醛收率的有利特性。然而，THF天然可与水混溶，需要被溶质饱和才能形成独立的相。本公开展示，在含有水和催化剂(例如酸催化剂，如无机酸催化剂(如硫酸(H₂SO₄)或硝酸)、金属卤化物酸催化剂(如FeCl₃)或有机酸(如乙酸或甲酸))的单相溶液中应用THF使枫木原料能够一步催化转化，从而将生物质分级分离，并根据所用的反应条件和催化剂，以高收率生成C5和C6单糖、糠醛、5-HMF和乙酰丙酸的组合。THF助溶剂还能够直接溶解枫木原料中的克拉松木质素以及降解焦油，该降解焦油在未使用THF时通常会积聚起来。因此，所述溶剂体系还生成了经预处理的富含葡聚糖的固体级分，与来自经典预处理技术的固体级分相比，这种富含葡聚糖的固体级分更容易酶促水解为可发酵的葡萄糖或可采用化学方法进一步转化为额外的乙酰丙酸。

下文的数据表明，THF是用于可提高生物质解构期间的反应性中间体收率的综合生物质反应，以及脱除木质素的特别有效的单相助溶剂。例如，在THF和水的可混溶溶液中使用稀硫酸时，与先前的反应条件相比，可由枫木获得更高总收率的糠醛、5-HMF和LA。然而，因为硫酸利于生成糠醛和LA，所以用不同的催化剂调整该助溶剂体系并进行检验，证实提高了联产糠醛和5-HMF的收率。因为使用稀无机酸的水性单相反应由于5-HMF容易水解形成乙酰丙酸和甲酸而通常遭遇低的5-HMF收率，，因此在双相反应中选用甲基异丁基酮(MIBK)作为提取溶剂，但回收溶剂将是棘手的问题，并且对于利用固体生物质大规模生产燃料，加热和搅拌的高能量需求以及双相反应的有效固含率受限将可能妨碍其商业应用。因此，如果使用选择性较高的酸催化剂来提高生物质葡聚糖生成5-HMF而不是LA的选择性，则单相反应就变得有利。

金属卤化物是廉价的酸催化剂，与传统的无机酸相比，金属卤化物可选择性地促进木糖生成糠醛以及葡萄糖生成5-HMF的可选反应机制，这一点已得到充分研究。在类似途径中，存在能够更容易经历酸催化脱水的某些二价和三价金属阳离子时，观察到葡萄糖异构化为果糖、木糖异构化为木酮糖的醛糖到酮糖异构化。然而，证据还表明，金属卤化物的强路易斯酸特性可加速若干竞争性损耗反应，这些损耗反应有可能降低产物收率。在昂贵的双相离子-液体助溶剂体系中使用金属卤化物时，以纯糖为原料得到了良好的结果，但以纤维素和生物质为原料结果很差，从而有必要额外进行生物质预处理。

因此，本公开还展示，在将与THF相联合的金属卤化物酸催化剂用作可混溶的助溶剂后，显著提高了由木质纤维素生物质联产糠醛和5-HMF的收率，例如以枫木和玉米秸秆为原料时表现出的那样。用这种方法，可在一锅法反应中执行生物质预处理和可溶性糖的催化脱水。可使用示例性的金属盐酸催化剂AlCl₃、CuCl₂、CrCl₃、FeCl₃和ZrOCl₂。例如，通过将该助溶剂体系应用于纯糖，针对糠醛、5-HMF和LA制备的糖转化率和选择性研究了每种前述金属盐酸催化剂。通过使用金属卤化物催化剂，可优化反应苛刻度和溶剂(THF)添加量，从而扩大反应规模以实现最高的糠醛和5-HMF联产收率。研究结果揭示了不同的布朗斯台德酸和路易斯酸可以何种方式用于THF助溶剂反应策略才能最大限度提高生物炼制工艺中呋喃产物的总收率。

本公开证实，金属卤化物是具有高度选择性的非腐蚀性酸催化剂，适用于直接由木质纤维素生物质联产糠醛和5-HMF而无需单独的预处理步骤。本公开还证实，在高效单相转化策略中联用金属卤化物和THF作为绿色助溶剂可提供有用的直接由生物质联产糠醛和5-HMF的联产收率，从而制出适用于催化氢化为最终燃料产品的纯净产物料流。基于产生次级反应性中间体的糖转化率和选择性对若干种有前景的金属卤化物AlCl₃·6H₂O、CuCl₂·2H2O、CrCl₃·6H₂O、FeCl₃·6H₂O和ZrOCl₂·8H₂O进行筛选，结果表明，FeCl₃在THF助溶剂体系中表现最为出色，原因是这种物质的布朗斯台德酸度高且糖转化速率适中。

可以调节该助溶剂体系中THF和水的比率(按体积计)，该THF:水的比率(体积比)可以在1:5至大于7:1的范围内(例如，1:4、1:3、1:2、1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1等体积比)。此外，根据生物质的量、所需的产物、温度和THF：水比率，可以改变酸催化剂的百分比来优化所需的产量。比如，根据酸的类型，THF助溶剂预处理所需的酸催化剂添加量在0重量％至10重量％的范围内。又如，枫木在THF：水比率为4:1且含有1重量％FeCl₃的助溶剂反应中，于170℃反应60分钟后，直接获得95％的糠醛收率和51％的5-HMF收率，玉米秸秆在同样条件下反应后也获得类似收率。通过降低该反应中的THF浓度(或体积占比)后，可调整生物质的溶解度以增加富含葡聚糖的固体残留物的产物质量，这种固体残留物适用于进一步的酶促反应、酶消化或潜在的纸浆和纸质产品。在助溶剂反应期间，THF从生物质中提取出超过90％的木质素，可将这些木质素以细粉的形式回收。由于THF的沸点低，所以通过室温真空蒸馏回收THF。可使用不混溶的提取溶剂将糠醛和5-HMF浓缩，而催化剂可在水性料流中循环使用。

本公开还设想了THF助溶剂预处理在分批式、连续流通式(continuousflow-through)或活塞流式构造中的用途，其用于：(A)对生物质进行传统的预处理，然后再酶水解或(B)直接增大生物质的溶解度来回收糖而无需酶水解步骤。在后一种情况(B)下，可将THF：水比率大于1:1且几乎没有或完全没有酸的THF助溶剂应用于加热的流通式反应器，以便有效增大生物质的溶解度并释出单糖和低聚糖，然后通过移走并回收THF而浓缩这些单糖和低聚糖。将加热反应(阶段1，预处理)后释出的可溶性糖总收率(C5糖+C6糖)与用糖化酶处理预处理过的固体(阶段2)后释出的可溶性糖总收率相加，计算出典型预处理的总糖收率(阶段1+阶段2)。由于它们在生物质组成中占绝大多数，因此假设所有C5糖为木糖而所有C6糖为葡萄糖通常并不为过。可使用高压液相色谱法(HPLC)对糖进行定量。用回收THF溶剂后沉淀出来的总木质素质量计算木质素总量，而脱木质素率则使用经处理材料中剩余的木质素占原料中初始木质素含量的百分比计算。

用作生物质来源的纤维素材料可以是任一种含纤维素的材料。纤维素通常存在于(例如)植物的茎、叶、外壳、外皮和穗轴，或者树木的叶片、树枝和木材中。纤维素材料可以是(但不限于)草本材料、农业残留物、林业残留物、城市固体废弃物和制浆造纸厂残留物。纤维素材料可以是任何类型的生物质，包括(但不限于)木材资源、城市固体废弃物、废纸、农作物和农作物残留物(参见例如Wiselogeletal.,1995,HandbookonBioethanol(CharlesE.Wyman,editor),pp.105-118,Taylor&Francis,WashingtonD.C.(Wiselogel等人，1995年，《生物乙醇手册》(CharlesE.Wyman编辑)，第105-118页，美国华盛顿泰勒弗朗西斯出版集团)；Wyman,1994,BioresourceTechnology50:3-16(Wyman，1994年，《生物资源技术》，第50卷，第3-16页)；Lynd,1990,AppliedBiochemistryandBiotechnology24/25:695-719(Lynd，1990年，《应用生物化学与生物技术》，第24/25卷，第695-719页)；Mosieretal.,1999,RecentProgressinBioconversionofLignocellulosics,AdvancesinBiochemicalEngineering/Biotechnology,T.Scheper,managingeditor,Volume65,pp.23-40,Springer-Verlag,NewYork(Mosier等人，1999年，“生物转化木质纤维素的最新进展”，《生物化学工程/生物技术的进展》，T.Scheper主编，第65卷，第23-40页，美国纽约施普林格出版社))。应当理解，在本文中纤维素可以是混合基质中的木质纤维素、含木质素的植物细胞壁材料、纤维素和半纤维素的形式。

可通过调节反应温度、生物质原料的量、类型、状态和粒度、所涉及的酸的类型和浓度、以及溶剂与水混合物中THF和水的比率来优化本公开的方法。在不间断移走产物和溶剂的连续工艺中运用本发明的技术可进一步提高反应性中间体的收率，并允许本发明的技术更好地整合到大规模生产流程中。糠醛还是一种已知可用于制造THF的化学前体，本发明与下游的催化氢化工艺相整合可提供还可提供该反应需要的THF以及提供用于生产生化产物和生物燃料的潜在平台。由本工艺得到的富含己聚糖的固体级分可经酶促消化而生成可发酵的己糖，或用作同步糖化发酵(SSF)与整合生物工艺(CPB)的直接进料。回收溶剂后，可使剩余的木质素沉淀并用于制备新型芳族化合物或碳基化合物(如碳纤维或碳纳米管)。

图2A绘出了工艺简图，该图示出了使用本发明公开的助溶剂体系有效制备FP和分离的木质素的一种可能性。由于THF可混溶于水相中，所以相比二相体系，可实现更高的固含率来达到更大的热效率。最高％固体的优化将由原料的类型和含水量以及工艺设备选项确定。如图2A所示，首先将生物质原料合并进含有助溶剂(在这种情况下为THF)、水和酸催化剂的混合物中。然后将该混合物浆料送入螺杆式Pandia反应器(在图2A中以(1)表示，与二十世纪六十年代用于连续生产糠醛的反应器十分类似)，保持适当一致的停留时间并最大限度减少不需要的副产物形成。用来自高压(HP)锅炉(2)的高压蒸汽快速加热反应器。热浆料在反应器的出口处快速释放，进入分离装置(3)中。在该步骤中，水挥发性组分(如糠醛和THF)可连同蒸汽一起闪蒸到蒸馏装置(4)中。THF共沸物只含有约4.6重量％的水，所以在该组成下THF的回收并不费劲，因为额外的干燥是不必要的。图2A中从(4)引出的虚线显示了THF和水的循环料流。5-HMF和LA不会随水挥发，而是与一些水解葡萄糖一起浓缩于(3)内剩余的水层中。对于HMF和LA的回收，溶剂提取或真空蒸馏可减少不需要的反应。然而，如果只需要生产LA，便可将浓缩的水溶液直接送入第二个连续反应器(6)，进行更高温度的反应。在反应后从液相移除THF会使溶解的木质素以固体残留物形式沉淀出来。由于这种残留物有粘性，所以可能需要使用合适的溶剂将提取的木质素重新溶解供进一步加工并催化改质为燃料或化工产品。顺带一提，纯的THF易于重新溶解回收的木质素。假定可利用能有效分离剩余的富含葡聚糖的固体级分的高效连续装置，则可清洗、中和该固体，再酶水解为可发酵葡萄糖，或用作SSF或CBP操作的加工过的进料。该方法的额外好处是，与用其他预处理体系所实现的相比，高度苛刻的反应条件与木质素移除相结合，使所获得的固体更容易用低剂量的酶水解，在把木糖发酵作为目标时，其他预处理体系受限于必须使用低苛刻度的反应条件来避免木糖变为糠醛的大量损耗。或者，可直接将富含葡聚糖的物料送入第二个高温反应器，用于额外生产LA(6)。

硫酸是一种低成本无机酸，适合在这种助溶剂体系中用作酸催化剂。其他催化剂包括但不限于可应用于该助溶剂体系中的无机酸、有机酸、金属卤化物酸和非均相酸催化剂。举例来说，FeCl₃是一种固体酸催化剂，其可用于有选择地实现由木糖以高收率生成糠醛以及由溶解的葡萄糖以高收率生成5-HMF，同时最大限度减少LA的形成。在类似的反应条件下，相比同等用量的H₂SO₄，应用FeCl₃催化剂会增加富含葡聚糖的经预处理的材料的量。这将使得能通过酶水解生成更多葡萄糖。由于THF有助于促使木质纤维素生物质解构并溶解，所以还可使用非均相固体催化剂(如多孔膜树脂和沸石)来促进特定的目标FP/RI或反应。在THF与水的比率为1:1的条件下，用FeCl₃代替硫酸后，，剩下的经预处理的富含葡聚糖的材料的质量收率较高(如图11所示，采用FeCl₃时，最初存在于枫木中的葡聚糖的25重量％，采用H₂SO₄时为21重量％)，并且相比采用硫酸的反应，糠醛产量相当(如表4所示，采用FeCl₃时，糠醛的理论收率为85％；采用H₂SO₄时，糠醛的理论收率为87％)。另外，采用FeCl₃时，观察到了较低的乙酰丙酸产量(理论产量2％)和较高的5-HMF产量(16％)；与使用硫酸相比，使用FeCl₃观察到，由最初存在于枫木中的C5和C6糖回收FP的总回收率较高(C5糖的理论回收率为88％，C6糖的理论回收率为99％)。

通过该使用较低苛刻度的条件(较低的温度，较短的反应时间，和/或较少的酸催化剂)，助溶剂体系可特定用于释出木糖、提取不溶于酸的木质素以及提高剩余的富含葡聚糖材料的酶消化率以使用比传统预处理策略通常所需的酶添加量低的酶添加量高效生产葡萄糖。然后可将这种可最大程度提高单糖产量的变化与下游的化学和生物转化途径相结合来制备燃料。

如图2D所示，这种变化描绘的是在第一阶段采用中等苛刻度反应条件(150至200℃，酸催化剂添加量为0.5至5重量％)，目的是由木糖生产糠醛，因为糠醛是催化活性相中最不稳定的反应性中间体。因此，凭借最大限度提高糠醛的回收率，就能够增大FP的总回收率。一些5-HMF将会由水解的己糖生成，并且剩余的富含葡聚糖的固体可用于通过酶水解制备葡萄糖、在苛刻度较高的第二阶段反应中(高于200℃，酸催化剂添加量大于1重量％)制备乙酰丙酸、或者用作SSF和CBP操作的直接进料。

在另一个实施例中，将由木质纤维素生物质制备RI与同步催化RI改质为燃料产品(普适型碳氢燃料和/或汽油和柴油的混合原料)结合起来。使用中等到高苛刻度的条件(150至220℃)和恰当催化剂，会首先产生糠醛和5-HMF，同时回收这两种物质以通过选择性氢化和/或加氢脱氧催化转化为普适型燃料。然后使剩余的葡萄糖和富含葡聚糖的物料经受第二高苛刻度反应(170至250℃)来产生额外的5-HMF和/或LA，用以也通过选择性氢化和/或加氢脱氧直接催化转化为普适型燃料。如图2D所示，两个阶段中同步发生的FP催化改质可以发生在各阶段反应上方的蒸汽相中(图2D)，或直接发生液相中，在该液相中还正进行糖脱水反应。如图2D所示，如果由各阶段的催化改质产生的最终燃料产品比生成这些产品的FP更稳定，那么，可将其返回反应容器，最终在第二阶段反应结束时回收。采用两阶段反应的目的是，先在第一阶段最大限度提高由糠醛产生稳定燃料产品的收率，随后在第二阶段由LA和/或5-HMF制备燃料产品。制得糠醛后，将提取并回收木质素。

在一个实施例中，纤维素材料为草本材料。在另一个实施例中，纤维素材料为农业残留物。在另一个实施例中，纤维素材料为林业残留物。在另一个实施例中，纤维素材料为城市固体废弃物。在另一个实施例中，纤维素材料为废纸。在另一个实施例中，纤维素材料为制浆造纸厂残留物。

在另一个实施例中，纤维素材料为玉米秸秆。在另一个实施例中，纤维素材料为玉米纤维。在另一个实施例中，纤维素材料为玉米穗轴。在另一个实施例中，纤维素材料为橙皮。在另一个实施例中，纤维素材料为稻秆。在另一个实施例中，纤维素材料为麦秸。在另一个实施例中，纤维素材料为柳枝稷。在另一个实施例中，纤维素材料为芒草。在另一个实施例中，纤维素材料为蔗渣。

以下实例用于进一步举例说明，而非限制前述公开内容和所附权利要求。

实例1

在溶剂水溶液中和非溶剂水溶液中进行本公开中的枫木、D-木糖和糠醛的酸催化反应。在大多数反应中，溶剂溶液由THF(纯度>99％，美国宾夕法尼亚州匹兹堡市飞世尔科技公司(FisherScientific,Pittsburgh,PA))和去离子(DI)水的50体积％(1:1)混合物组成。将浓硫酸(72重量％，里卡化学公司(RiccaChemicalCompany))加入该溶液中，制成1重量％的酸溶液(约0.1M)。在非溶剂对照实验中，仅使用去离子水制备1重量％的硫酸溶液。然后在1L的Parr高压连续搅拌反应器(帕尔器械公司(ParrInstrumentCompany))中进行反应。由内嵌式热电偶(欧米茄(Omega)K型)直接测量反应器的温度。采用流态化沙浴(美国新泽西州普林斯顿市泰科尼公司(Techne,Princeton,NJ))对流加热，使所有反应都保持在170℃(443K)，沙浴温度设定为340℃(613K)，以此缩短加热时间。用PID控制器调节沙浴的温度。采用装在顶部的电机为双层六叶片叶轮供电，使其以200rpm的转速执行混合。用机械绞车控制反应器在沙浴上方的高度，以此稳定反应温度。每次运行结束时，把反应器迅速降入沙浴旁边的大号室温水浴中，使其冷却。将温度第一次达到170℃的时刻定义为起始时间，并且在反应器第一次接触冷却水浴时，记录最终反应时间。所使用的所有盛装液体的容器均由玻璃制成以避免损失糠醛和THF，在实验中使用塑料容器时观察到这种损失。

选用风干的(含水量<5％)枫木薄片进行枫木的反应，这些枫木薄片得自美国新罕布什尔州莱巴嫩市纽约上区的马斯科马公司(MascomaCorporation(Lebanon,NH))。磨碎薄片，过筛获得1mm粒度的粉末。然后将磨碎的干燥样品在一加仑容量的袋中于室温下保存，袋子用手挤压以排出多余的空气。根据所确立的国家可再生能源实验室(NREL)程序(8-03-2012版本)，对枫木的组成进行一式三份的测量，结果如下：葡聚糖含量40.9±0.3重量％，木聚糖含量15.5±0.2重量％，甘露聚糖含量2.1±0.1重量％，K-木质素含量24.4±0.3重量％，其他物质含量17.1重量％。这项研究没有进一步表征其他物质的组成，但预计其由灰分、糖酸和蛋白质组成。因为阿拉伯聚糖和半乳聚糖不以显著的量存在(<0.3％)，所以，认为所有的枫木戊聚糖都为木聚糖而所有的己聚糖仅为葡聚糖和甘露聚糖可能是合理的。每次运行时，先将40g(干重)枫木和760g溶剂酸溶液或非溶剂酸溶液转移到密封的玻璃瓶中，在4℃温度下预浸过夜。然后在反应之前，将内容物平衡至室温。每个反应之后，取出1ml液体，离心，并通过HPLC(配备有Bio-RadHPX-87H柱和RI检测器的安捷伦1200系统(Agilent1200system))采用0.6mL/min的洗脱液(5mM硫酸)流速进行分析。由于HPX-87H柱不能区分木糖、甘露糖和半乳糖，所以该HPLC还配备有HPX-87P柱，以便随后分析中和的反应样品来研究木糖的消失。然后采用真空过滤法，让室温反应液滤过玻璃纤维滤纸(美国宾夕法尼亚州匹兹堡市飞世尔科技公司(FisherScientific,Pittsburgh,PA))，从中分离出固体。测量液体级分的质量和密度，以便完成下面的精确收率计算。对于固体级分，还测量了质量、含水量和组成。只报告了整体质量平衡率为100±5％的运行。由于溶剂溶液和非溶剂溶液存在密度差，所以在每个反应之后，用容量瓶称量25ml液体的重量来确定密度，再计算收率。公式(1)给出了反应性中间体收率的计算方式，其中糠醛(公式2)、LA(公式3)和HMF(公式4)的摩尔当量(θ_RL)根据其各自的糖源分别计算得到。

^a总己聚糖＝葡聚糖+甘露聚糖

在研究木糖脱水时，将10gD-木糖(纯度99％，美国密苏里州圣路易斯的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich,St.Louis,MO))转移到1L容量瓶中，用THF溶剂酸溶液或非溶剂酸溶液溶解，获得10gL^-1浓度的溶液。10gL^-1木糖浓度相当于由40g木聚糖含量为17.5％(通常以14至21％的平均含量存在于生物质中)的生物质样品水解产生的木糖有效量。用这种方式，计算得到的速率常数和选择性将与当前和未来的结果有关。用公式(5)表示木糖脱水的一阶近似形式。

其中D代表脱水产物。公式(6)、(7)、(8)中给出了木糖(X)消失速率的表达式和速率常数的计算。由于酸浓度(A)在整个研究中保持不变，因此将其合并到总反应速率常数k中。

$\ln \left(\frac{x}{x_{init}}\right)=-kt---\left(8\right)$

其中k由线性拟合公式(8)确定。因为30分钟后木糖溶液变得过稀而无法准确定量，所以线性拟合不使用30分钟后的结果。由于并非所有的脱水产物都是糠醛，所以，将每个反应的糠醛收率测定值用于通过公式(9)计算糠醛选择性：

就每个反应而言，在1LParr反应器中总共使用800g木糖溶液，并采用HPLC执行分析。

相似地，在研究糠醛分解时，使用了溶于THF溶剂酸溶液和非溶剂酸溶液中的6.4gL^-1糠醛(纯度99％，美国密苏里州圣路易斯的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich,St.Louis,MO))，在1LParr反应器中进行反应。由于6.4gL^-1是10gL^-1木糖以100％转化率获得的摩尔当量，所以这些反应使得能了解糠醛由于自身树脂化导致的损耗量以及与之相比在存在木糖的情况下由缩合反应造成的糠醛损失。

使用两只分别装有5重量％枫木的玻璃瓶。一只玻璃瓶装有比率为1:1的THF与水，另一只装有无溶剂的水溶液。溶剂溶液中有来自枫木的色素，除此之外，这两种介质几乎一样。然后将这两只瓶子的内容物转移到Parr反应器中，使其在170℃温度下反应。确定170℃的反应温度可用于研究在存在溶剂的情况下糠醛的生成情况。由于生物质原料通常含有大量的水(多达木材的约50重量％)，因此，必须选择恰当的溶剂与总水量之比，以便最大限度降低热载荷并最大程度提高固含率。由于重点是纤维素生物质原料的直接转化，因此在这种情况下，1:1或更小的溶剂与水的比率适宜最大限度减少溶剂的使用量，并最大程度提高热效率。

表1：在添加和未添加THF的分批反应中由枫木和D-木糖酸催化 制备糠醛、LA和HMF ^a

表1比较了THF助溶剂反应和非溶剂反应之间由枫木和D-木糖生成糠醛、LA和HMF的收率数据。表1中的第2次至第4次运行比较了由枫木反应获得的糠醛、LA和HMF的最高收率，这些反应分别使用1:3、1:1、3:1体积比的THF与水。在1:3混合物中观察到较低的RI总收率，使用1:1和3:1溶液时实现相同的糠醛收率，而由3:1混合物获得了最高的LA和HMF收率。虽然较高的溶剂比可带来边际产量方面的有益效果，但额外的溶剂回收成本、增加的加热需求以及受限的固体荷载量可能不利于工艺经济性。综合这些理由，在进一步的研究中选用1:1的溶剂比。第1次运行和第3次运行比较了在40分钟时的非溶剂反应和THF反应，此时糠醛收率最高。第5次运行和第6次运行比较了在120分钟时的非溶剂反应和THF反应，此时LA产率较高。在相同的工艺条件下，相比未使用溶剂的情形，存在THF助溶剂显著提高了40分钟时的糠醛收率(提高约25摩尔％)和HMF收率(提高约10摩尔％)，以及120分钟时的LA收率(提高约8摩尔％)。

HMF是己糖经酸催化脱水最先生成的重要平台化合物。当允许HMF保留在有催化活性的水相中时，将容易水解而形成等摩尔量的LA和甲酸(FA)。由于LA在水性环境中比HMF更稳定，所以在单相反应中观察到较高的最终LA收率。已证实在使用THF时应用固体酸催化剂可提高HMF选择性。在1:1和3:1的THF助溶剂反应二者中，糠醛(该研究中的主要目标反应性中间体)的最高收率在40分钟时获得，为理论收率的87摩尔％。在该时间时，LA收率在THF与水为1:1的条件下为约11摩尔％，在THF与水为3:1的条件下为约29摩尔％，在未使用THF的条件下为约7摩尔％(表1)。反应40分钟后的室温液体密度(21℃下，THF与水为1:1时密度为0.9987gL^-1，未使用THF时密度为1.0152gL^-1)导致糠醛最大收率相差2％。就表1中的溶剂反应和非溶剂反应来说，获得最高糠醛收率的时间(40分钟)比获得最高LA收率的时间(120分钟)短得多。由于具有无定形结构的半纤维素在酸中更不稳定，所以半纤维素水解产生木聚糖的速度远比结晶纤维素水解产生葡聚糖的速度快。通过将THF与水的比率增至3:1，由于更多己聚糖水解，联产糠醛和LA的收率提高。

图2A至图2D比较了枫木在采用THF作为助溶剂以及未采用THF的情况下反应60分钟过程中产生的反应性中间体的浓度分布。如图所示，THF反应的初始葡萄糖浓度(10分钟)较高，这表明THF有助于增强纤维素水解，使葡萄糖比未使用溶剂的情形更快释出。到20分钟时，THF反应中的葡萄糖浓度已开始降低，LA的形成以及葡萄糖的消耗明显大于未使用溶剂的情形。如上所论述的，首先使用的色谱柱不能通过保留时间区分木糖、甘露糖和半乳糖单体，因此显现出合在一起的浓度分布。由于甘露糖的分解速率比木糖慢得多，故无法确定木糖的准确浓度分布。取而代之，分别由中和的反应样品测量了木糖浓度，并且发现，在存在THF的情况下，木糖在40分钟时完全消耗，而在未使用溶剂的情况下，60分钟时才完全消耗(对照图3A)。这些结果表明，THF对葡萄糖和木糖两者的破坏分解有催化作用。

反应120分钟后，仍有一些葡萄糖剩余(<1gL^-1)。到那时为止，在存在THF的情况下，糠醛收率已下降到69％(相对于在40分钟时观察到的最高收率有21％的损失)，在不存在THF的情况下，糠醛收率下降到39％(相对于在40分钟时观察到的最高收率有37％的损失)。这是THF有助于减少糠醛在有催化活性的水相中的损耗量的第一个证据。然而，要高效联产这些反应性中间体，仍受糠醛快速降解这一现象制约。糠醛损耗可能归因于糠醛与中间糖产物发生缩合反应、糠醛缓慢转变为甲酸以及糠醛形成糠醛树脂和其他降解产物。由于在存在THF的情况下，糠醛浓度在40分钟后急剧下降(图3D)，从而让反应继续进行会损及收率。因此，为了最大限度利用所有的纤维素糖，优化最不稳定的物质至关重要，而且有必要分步骤来独立靶向制备糠醛和乙酰丙酸，使这两种物质的总收率最高。

图3E示出在使用了和未使用THF的反应后剩余的固体级分的组成(以100g枫木原料为基准)。THF助溶剂反应的独到之处是，其几乎完全除去了不溶于酸的木质素和降解焦油，木质素和降解焦油在非溶剂反应中会积聚起来。THF除去了超过90％(按重量计)的不可溶木质素，并在整个反应中固体级分中剩余的不溶物的量极小(图3E)。在未使用THF的情况下，不可溶木质素一开始会减少，但在反应过程中会不可溶焦油和降解产物的形成增加。真空过滤反应液后，THF反应物中的未反应固体几乎完全由葡聚糖组成(40分钟时为85重量％，图3E)。在效果方面，THF体系的表现类似于有机溶剂工艺。由于预处理几乎完全除去了抑制性的的半纤维素和木质素级分，所以这些经预处理的固体应当很容易被酶攻击，从而充当被酶水解为可发酵葡萄糖的理想进料。THF反应中的初始葡萄糖浓度较高(图3A)，提示经预处理固体的可消化性得到改善。虽然已通过优化溶剂反应中用到的反应条件和酸催化剂类型展示了使用H₂SO₄的反应，但也可增加未水解的富含葡聚糖的固体残留物的量，来支持生产可发酵葡萄糖。因此清洗过的固体可以是SSF或CBP操作的潜在进料，或靶向生产乙酰丙酸。

反应后，通过在室温下真空蒸馏滤液来回收THF，以从液相产生粘在玻璃瓶壁上的深棕色黏稠沉淀。这种残留物含有已溶解在助溶剂溶液中的被提取出的木质素和降解产物。然后将此刻的浓缩酸水溶液倒出，收集固体木质素沉淀并用乙醚清洗，得到深棕色粉状木质素产物。然后可用合适的有机溶剂再次溶解木质素残留物，以便进行催化改质。将木质素转化为燃料产品和有价值的聚合物的应用在本文别处讨论。

表2在使用了THF和未使用THF的情况下D-木糖消失的一级速率 常数以及与历史文献的比较 ^a

除应用于枫木外，还用纯的D-木糖进行了酸催化脱水反应以确定THF对木糖消失速率的具体影响(如表2所示)和对糠醛选择性的具体影响(如图4A所示)。用10gL^-1木糖溶液，在与枫木反应相同的条件下进行反应，由此研究木糖在不受其他生物质组分干扰的情况下转化为糠醛的过程。图4A中还示出了溶剂反应和非溶剂反应所剩余的木糖量。然后通过对一级速率表达式进行线性拟合，得到速率常数，结果在表2中报道。为确保反应体系没有传质限制，并代表实际的动力学，将非溶剂对照反应的速率常数与用历史文献中报道的经验模型计算得到的结果(也示于表2中)进行比较，发现两者非常接近。从结果来看，THF大幅提高了木糖的消失速率(约为之前的两倍)，这表明存在THF对木糖脱水具有催化作用。

因为并非所有的脱水产物都是糠醛，所以使用公式(9)计算这些反应的糠醛选择性。就非溶剂反应而言，糠醛选择性最初较高(10分钟时为72％)(图4A)，但随着反应进行，到50分钟时糠醛选择性急剧下降为只有59％。当产生更多糠醛时，不可逆副产物的形成增加。就使用了THF的反应来说，糠醛选择性最初较低(10分钟时为67％)，但在反应过程中不断增大，20分钟时就超过了非溶剂反应的选择性，在40分钟时达到最大值74％。虽然尚不清楚产生这些差异的确切原因，但溶剂反应的糠醛选择性最初较低可能是因为木糖脱水速率增加从而导致竞争性的木糖中间体。随后，由于木糖在THF中消耗得更快，与中间产物发生缩合反应的机会减少，所以糠醛选择性增大。在任何情况下，存在THF时形成副产物的总量减少导致产自木糖的糠醛最大收率更高，为73摩尔％，与其相比非溶剂体系获得的糠醛最大收率较低，只有60摩尔％(表1)。然而，但与枫木反应相比时，由纯木糖得到糠醛的收率较低，尤其是在存在溶剂的情况下。使用磨碎的杨木薄片也观察到了这种现象。纯木糖反应中较高的初始木糖浓度可在早期增大木糖与糠醛交叉聚合的程度，而枫木较慢释出木糖，就可减弱这种影响。

图4B示出6.5gL^-1纯糠醛在使用了溶剂和未使用溶剂的条件下，在170℃温度下降解的情况。反应50分钟后，在溶液中存在THF的情况下，糠醛损耗仅为约3％，而在未使用溶剂的情况下，观察到糠醛损耗高达16％。在图4B中，前述两种情况的糠醛损耗相差13％，这是造成纯木糖的溶剂反应和非溶剂反应出现糠醛收率差异的主要原因，从而证实THF在防止糠醛由于树脂化而损耗方面发挥了重要作用。有趣的是，在所有THF反应中，几乎所有糠醛损耗是由于形成甲醛，但在非溶剂反应中，只有不到一半的糠醛损耗是由于形成了甲酸造成的。尽管反应严苛性过于温和而无法在短短50分钟内有效研究糠醛破坏的动力学，但数据仍大致与非溶剂情况下提出的一阶近似损耗曲线相关，而THF中的糠醛损耗看起来并没有遵循一级动力学。

在生物质转化过程中将THF用作助溶剂来改善RI收率可通过向酸催化的工艺添加THF来进行。来自该溶剂体系的较高RI收率和完全分级分离生物质的组合有益效果可通过如下手段在商业规模上实现：改良现有的连续糠醛工艺，使其具有额外的分离和回收步骤，用于收集经预处理的生物质、分离木质素级分以供改质、以及回收低沸点溶剂。举个有关这种可能性的例子，图2D示出了把THF用作助溶剂，由纤维素生物质综合制备反应性中间体和木质素的简化概念工艺流程图。由于THF溶解在水相中，所以相比二相体系，可实现更高的固体荷载量来达到更高的热效率。

最高固体重量％的优化将由原料的类型和含水量以及工艺设备选项确定。

如图2D所示，首先将合适的原料如磨碎的木片浸泡在含有THF和酸催化剂的溶液中。然后将浆料送入螺杆式Pandia反应器(1)(该反应器与二十世纪六十年代用于连续生产糠醛的反应器十分类似)中，保持相当一致的停留时间以最大限度减少不需要的副产物形成。用来自锅炉(2)的高压蒸汽快速加热反应器以达到170℃左右或更高温度，这取决于反应容器的耐用度。热浆料在Pandia反应器的出口处快速释放，进入处于减压的分离装置(3)中。在该步骤中，水挥发性组分(如糠醛和THF)与蒸汽一起闪蒸或沸腾出来，进入蒸馏装置(4)。THF共沸物只含有约4.6重量％的水，所以在该组成下THF的回收并不费事，因为额外的干燥是不必要的。图2D中从(4)引出的虚线显示了THF和水二者的循环料流。HMF、LA和硫酸不会随水挥发，而是与一些水解葡萄糖一起浓缩于(3)内的剩余的水层中。对于HMF和LA的回收，可应用溶剂提取法或真空蒸馏来来减少不需要的反应。然而，如果仅LA制备是所需的，则可将浓缩的水溶液直接送入连续搅拌反应器(CSTR)(6)中，进行更高温度的反应(>200℃)。

从先前的观察结果可知，从液相移出THF会导致木质素沉淀为固体残留物。由于这种残留物有粘性，所以可能需要使用合适的溶剂将提取的木质素重新溶解以供进一步加工并催化改质为高价值产品。顺带一提，纯的THF易于重新溶解回收的木质素。假设可利用能有效收集剩余的富含葡聚糖的固体级分的高效连续装置(如)，则可清洗、中和该固体，并酶水解为可发酵葡萄糖，或用作CBP和SSF操作的加工过的进料。在这种情况下，可以使用在目标产物为木糖和其他半纤维素糖时不可取的高苛刻度条件来制备糠醛。该方法的额外好处是，与用其他预处理体系所实现的相比，高度苛刻反应条件与移除木质素操作相结合应当使得更容易用低剂量的酶水解所获得的固体，在把木糖发酵作为目标时，其他预处理体系受限于必须使用低苛刻度来避免木糖变为糠醛的大量损耗。或者，可直接将富含葡聚糖的物料送入高温连续搅拌反应器以供额外制备LA(6)，如实线所示(图2D)。

如表1中的第9次运行所示，可在通过水热预处理提取半纤维素之后由富含纤维素的枫木获得高达理论收率的75摩尔％的LA。在这种情况下，LA是使用较高的固体荷载量(10重量％)、较浓的硫酸(1.5重量％)并且不使用任何溶剂，在200℃进行分批反应获得的。这些结果证实，如果专门为了生产LA而提高反应温度，则用由THF反应留下的不含半纤维素并富含葡聚糖的物料可获得高LA收率。

经纯化的糠醛产品可以原样销售，也可脱羰和氢化而制出额外的THF。氢化一直是将糠醛和乙酰丙酸改质为燃料产品的最通用选择，但必须仔细考虑催化这些反应性中间体改质的氢的来源和成本。糠醛能够改质为糠醇(FFA)、四氢糠醇和二氢吡喃。甲基呋喃和甲基四氢呋喃为糠醇的氢化产物，可直接充当汽油添加剂。糠醛发生羟醛缩合和二聚化后，加氢脱氧便可制得主链最多有十三个碳原子的链烷烃。由糠醛制备的潜在产品种类繁多，该工艺带来的高收率极大地提升了糠醛的适销性。由于在水溶液中LA比HMF更稳定，所以LA是该工艺中由纤维素制成的重要初级产物，这种初级产物可以是通过氢化形成乙酰丙酸酯、GVL、MTHF和其他潜在燃料产品的有价值化学前体。LA的高沸点(245℃)使得难以在不施加真空的情况下靠蒸级分离出来，所以维持浓缩的LA产品料流将改善分离的经济性以及允许进行溶剂提取。由于较苛刻的反应条件有利于制备LA，所以采用两阶段生产策略制备糠醛和LA二者将能由生物质获得最高的反应性中间体收率。

尽管大部分THF得到回收，但一些THF由于在酸催化下发生开环反应而损耗。因此，缩短反应时间应当能减少THF损耗。幸运的是，THF本身是一种通用化学品，在商业上用作制造塑料的溶剂，而且与1,4-丁二醇(BDO)和γ-丁内酯(GBL)密切相关。由于THF聚合物(聚四氢呋喃和PTMEG)也是主要的商业产品，因此，深入研究这些产品将具有重大意义，尤其是用糠醛潜在制备THF。

为了研究在该系统中用葡萄糖生产糠醛的可行性，使含有THF和1重量％硫酸的18.7gL^-1葡萄糖溶液在170℃温度下反应。反应40分钟后，发现有痕量物质与糠醛同时(大约44分钟时)从HPX-87H柱洗脱，然而，这些物质未存在于非溶剂反应中。因为知道某些化合物在该柱上具有相似的保留时间，因而需要通过GC-MS量化这种与糠醛类似的化合物以鉴定其为何种物质。在枫木反应的第40分钟，该痕量化合物(0.12gL^-1)对测得的糠醛收率的贡献最大，大约可占该收率的2.5％。然而，因为这种痕量化合物是在不存在葡聚糖水解的情况下由纯葡萄糖的反应生成的，所以其量提供了本论文所报道的糠醛收率可能增大量的上限。另外，在使用了THF的葡萄糖反应中，在与木糖相同的洗脱时间(大约9.7分钟时)测量到更明显量(0.97gL^-1)的另一种衍生自葡萄糖的化合物。该非木糖的糖类(或另一些未经鉴定的化合物)可解释在40分钟后在木糖已完全耗尽时在枫木反应中仍观察到图3B中的类似微小浓度的原因。这种化合物的持续存在以及由葡萄糖生成糠醛的极其小产量表明，生成了替代性葡萄糖中间体是症结所在。

本公开展示了THF作为单相助溶剂的应用，其用于显著提高水处理木质纤维素生物质(如枫木或玉米秸秆)来产生反应性中间体的收率。本公开还首次证实，THF和水的单相溶液可以发挥下述作用：(1)改善半纤维素和纤维素多糖的水解；(2)有助于以高收率将所得的单体糖催化脱水成糠醛(FF)、羟甲基糠醛(HMF)和乙酰丙酸(LA)；(3)将来自生物质的不溶于酸的木质素和降解产物溶解到液体级分中，以供转化为高价值副产品；(4)生成易水解的富含葡聚糖的固体级分，这种级分可用于酶消化、发酵或进一步化学转化。通过使用THF的综合单相溶剂法靶向制备反应性中间体使得能有效利用木质纤维素的所有主要成分，包括木质素。本文提出的节能策略被设计用于补充催化技术的最新进展，同时还提供了处理原料的有效解决方案。最终产品种类的弹性增大使得能持续推进对木质纤维素生物质解构与催化改质的研究，将其转变为可再生燃料和化学品。

实例2

在所有THF助溶剂反应中都使用试剂级THF(纯度>99％，美国宾夕法尼亚州匹兹堡市飞世尔科技公司(FisherScientific,Pittsburgh,PA))。增加THF的添加量，使THF与水的比率(按体积计)变为1:1(THF50％v/v)至7:1(THF87.5％v/v)，制得THF助溶剂溶液。金属卤化物催化剂购自美国密苏里州圣路易斯市西格玛奥德里奇公司(SigmaAldrich(St.Louis,MO,US))。使用的每种金属卤化物催化剂都是水合物形式(AlCl₃·6H₂O，CuCl₂·2H₂O，CrCl₃·6H₂O，FeCl₃·6H₂O，ZrOCl₂·8H₂O)，但按其等效的无水质量添加，获得0.1M或1重量％的催化剂荷载量。浓硫酸(72重量％的H₂SO₄)购自美国德克萨斯州阿灵顿市里卡化学公司(RiccaChemicalCompany(Arlington,TX))，用其制备稀硫酸溶液。

枫木薄片得自美国新罕布什尔州莱巴嫩市纽约上区的马斯科马公司(MascomaCorporation(Lebanon,NH))，风干的Kramer玉米秸秆由位于美国科罗拉多州戈尔登市的国家可再生能源实验室(NREL(Golden,CO))提供(批号为33A14)。使用实验室磨机(4型，美国宾夕法尼亚州费城亚瑟·托马斯公司(ArthurH.ThomasCompany,Philadelphia,PA))磨碎相对干燥的生物质(含水量10至15％)，使其通过磨机内部的1mm粒径筛网。根据所确立的国家可再生能源实验室程序(TP-510-42618，8-03-2012版本)，一式三份地确定枫木和玉米秸秆的生物质组成，结果为：枫木含40.9±0.3重量％的葡聚糖、15.5±0.2重量％的木聚糖、2.1±0.1重量％的甘露聚糖、24.4±0.3重量％的K-木质素和17.1重量％的其他物质；玉米秸秆含32.7±0.4重量％的葡聚糖、20.7±0.2重量％的木聚糖、2.6±0.1重量％的阿拉伯聚糖、16.0±0.1％的K-木质素和28.0重量％的其他物质。这项研究没有表征使生物质中所有组分的百分比总计达100％需要的其他物质，但预计其包括微量的糖、灰分、糖酸、乙酸盐和蛋白质。因为阿拉伯聚糖、半乳聚糖和甘露聚糖不以显著的量存在，而且很难凭借HPLC具体量化这些微量糖，所以决定将生物质中所有量化的戊聚糖视作木聚糖，并将所有己聚糖视作葡聚糖。

在THF与水的体积比为1:1的助溶剂溶液中制备纯糖反应混合物，这些反应混合物按液体的总体积计含有20g/L葡萄糖或10g/L木糖，还添加了0.1M(无水)金属卤化物催化剂。由于每种催化剂的布朗斯台德酸度不同(表3)，所以通过用72重量％的浓硫酸滴定将所有溶液归一化至1.6pH。选择pH1.6的酸度是因为该值接近酸性最强的含0.1MZrOCl₂的混合物的布朗斯台德酸度(表3)。还制备了只含硫酸的纯糖溶液并滴定到pH1.6，用以作为酸对照直接与金属卤化物酸催化剂比较。

反应在容积为14.3mL，壁厚0.0008890m(0.035英寸)、长0.1524m(6英寸)且不带搅拌器的哈氏合金管式反应器(哈氏C-276合金，外径0.0127m(0.5英寸))中进行，有效反应液体积为10mL。将管式反应器装入定制的重役型蒸汽室中，该蒸汽室由易得的内径为0.102m(4英寸)的蒸汽专用(最高承受1MPa蒸汽压)316不锈钢配件(美国加利福尼亚州圣菲斯普林斯市麦克马斯特公司(McMaster,SantaFeSprings,CA))制成。高压蒸汽锅炉(FB-075-L，美国纽约州普瓦斯基市富尔顿公司(FultonCompanies,Pulaski,NY))提供蒸汽，用于快速稳定地加热三联管反应器。用内嵌式压力计和两根K型测温探针(美国康涅狄格州斯坦福德市欧米茄工程公司(OmegaEngineeringCo.,Stamford,CT))监测温度，并用PID控制器通过蒸汽压力控制温度。由于管式反应器具有纵向构造，用蒸汽加热并用冷水淬灭，所以即便反应时间较短(不到10分钟)，传热也相对快速。将反应温度达到170℃的时刻定义为起始时间。在反应结束时，切断蒸汽供应并用自来水注满蒸汽室，使反应终止。

将每根反应管的液体内容物转移到2mL玻璃小瓶中。离心这些样品(2500rpm，20分钟)，把上清液转移到HPLC玻璃小瓶内，然后用配备有Bio-RadHPX-87H柱和RI检测器的安捷伦1200系统执行HPLC分析，洗脱液(5mM硫酸)流速为0.6ml/min。下面示出了计算糖转化率和次级反应性中间产物选择性的公式，其中Ω为起始糖的摩尔当量比：

选择性(％)＝FP浓度_最终(g/L)*Ωg/L转化率(11)

基于反应物的总质量(800g)计算玉米秸秆或枫木的固体添加量，使得按THF：水混合物的重量(760g)计，每种反应物都含5重量％的固体(干重40g)和1重量％的酸(无水重量7.6g)。然后将生物质混合物在4℃下预浸过夜，由此确保酸催化剂均匀分布在生物质的孔内。将内容物留置在实验室中1小时，使温度大致升至室温，再开始反应。

然后把全部生物质浆料转移到用4kW流态化沙浴(SBL-2D型，美国新泽西州普林斯顿市泰科尼公司(Techne,Princeton,NJ))加热的1LParr高压连续搅拌反应器(美国伊利诺伊州莫林市帕尔器械公司(ParrInstrumentCompany,Moline,IL))中。采用装在顶部的电机为双层六叶片叶轮供电，使其以200rpm的转速执行混合，并由内嵌式热电偶(欧米茄(Omega)K型)直接测量反应器的温度。每次运行结束时，把反应器迅速降入大号室温水浴中，使其冷却。所有盛装液体的容器均由玻璃制成以避免损失糠醛和THF，在使用塑料容器时观察到这种损失。然后在室温下用玻璃纤维滤纸(美国宾夕法尼亚州匹兹堡市飞世尔科技公司(FisherScientific,Pittsburgh,PA))进行真空过滤，从反应液中分离出固体。测量液体级分的质量和密度，以便完成精确收率计算。由于助溶剂混合物与纯水存在密度差，所以在每个反应之后，用容量瓶称量25mL反应液的重量来确定最终密度。

用配备有Bio-RadHPX-87H柱和RI检测器的安捷伦1200HPLC系统分析液体样品，洗脱液(5mM硫酸)流速为0.6ml/min。由于HPX-87H柱不能区分木糖、甘露糖和半乳糖的峰，所以该HPLC还配备有用于区分木糖和其他C6糖的HPX-87P柱，以便计算收率。公式(15)给出了反应性中间体收率的计算，其中糠醛、LA和5-HMF的摩尔当量数(θ)分别用公式16、17、18除以原材料中葡聚糖或木聚糖的总级分计算得到。

就回收提取的木质素来说，将反应液转移到配有螺旋盖的玻璃瓶中，这种螺旋盖上装有0.25英寸的金属软管倒钩接头。用柔性软管将倒钩接头与真空泵连接起来，以便真空蒸馏THF。THF在室温和真空下汽化的同时，用搅拌盘上的磁力搅拌棒搅拌该液体。一旦THF从含水液体除去，提取的木质素就以黑色树脂状固体从溶液中沉淀出来。然后从该液体中分离固体木质素残留物，用陶瓷研钵及研杵压成细粉。然后用水冲洗粉末、风干并再用二乙醚冲洗。图13示出了获得的木质素细粉产物。

表3示出含0.1M的每种金属卤化物的糖助溶剂溶液在反应前测得的pH值。已知的是，金属卤化物在高温下水解时形成金属氧化物，并且金属阳离子在水解期间形成OH配体(充当电子对供体)，会提高助溶剂溶液的酸性。所得的溶液pH值与阳离子物质的第一水解常数相关，其中Zr和Fe阳离子是最强的阳离子。还知道金属氯化物与THF形成稳定的加合物，这也会影响溶液的电离度和催化活性。因为布朗斯台德酸度通常支配着糖的脱水动力学，所以在每个反应之前用硫酸将所有糖溶液的pH归一化至1.6(接近酸性最强的金属卤化物的布朗斯台德酸度)。这样做后，就能更好地理解每种催化剂的相对路易斯酸强度影响其对次级反应性中间体的选择性的程度、最终产物的降解倾向以及用于优化生物质联产糠醛和5-HMF的催化剂的可调整性。

为了用这种助溶剂体系表征催化剂性能，使纯葡萄糖和木糖在使用了不同金属卤化物且THF与水的体积比为1:1的溶液中反应，以便比较糖向糠醛、5-HMF和LA转化的转化率和选择性。选择金属卤化物AlCl₃·6H₂O、CuCl₂·2H₂O、CrCl₃·6H₂O、FeCl₃·6H₂O和ZrOCl₂·8H₂O进行该比较。这些糖助溶剂溶液含有20gL^-1葡萄糖或10gL^-1木糖，用于模拟固体荷载量为5重量％时，实际生物质反应可能获得的糖浓度。就每个反应来说，每种金属卤化物催化剂都基于其无水质量添加，达到浓度为0.1M。然后将糖溶液装入哈氏合金管式反应器(有效容积10mL)中，用定制设计的不锈钢蒸汽室加热至170℃。反应一直进行，直到关闭蒸汽并用冷的自来水注满蒸汽室淬灭反应为止。如图10A和图10B所示，所有金属酸催化剂都显著提高了木糖和葡萄糖二者的转化率，使其超过在THF助溶剂体系中只用到硫酸时可能获得的转化率。对于葡萄糖和木糖，这些金属卤化物的相对性能也非常一致。活性最高的金属为Cr、Zr、Al，因为它们的路易斯酸强度高，到第5分钟几乎完全使木糖转化，到第10钟几乎完全使葡萄糖转化。基于Cu和Fe的催化剂使糖转化明显慢得多，但仍在20分钟后几乎完全使糖转化。

在所有THF助溶剂糖反应中，都观察到次级糖积聚，这些次级糖的HPLC保留时间与果糖和木酮糖的保留时间匹配。在整个反应过程中，这些次级糖的浓度还追随葡萄糖和木糖浓度消失的过程，表明醛糖异构化为酮糖的速率比糖脱水的速率快(图14至图15示出了次级糖的浓度)。该结果同已知的与金属卤化物催化的糖反应有关的结论一致：即开链脱水机制普遍存在，并且酮糖比它们的醛糖对应物更容易且更快脱水形成糠醛和5-HMF。有趣的是，硫酸反应中存在酮糖，表明THF还能与糖相互作用，促进异构化过程，并支持THF助溶剂有助于催化醛糖脱水且脱水效果优于可比较的只用到了硫酸的非溶剂反应的早期观察结果。通过促进了动力学更有利的开链脱水路径，THF可帮助金属卤化物获得高的反应性中间体收率。

然后基于每个反应后次级FP的浓度计算生成次级FP的选择性。就由木糖生成糠醛的选择性来说(图10C)，硫酸在10分钟时获得了约70％的最大值，比其他所有金属盐催化剂获得的选择性都高。该结果表明，尽管金属卤化物具备的路易斯酸特性加速了糖的破坏分解过程，但这种特性还促进竞争性的损耗反应，该损耗反应减少来溶液中积聚的糠醛。这些损耗反应可归因于中间糖物质与呋喃产物缩合形成腐殖素的反应。由于快速的糖转化，Cr催化剂最早在5分钟时实现了约65％的最高糠醛选择性，而FeCl₃需要20分钟才能达到也为约65％的最大糠醛选择性。尽管ZrOCl₂能够快速降解木糖，但其糠醛选择性最低，可能是因为形成了大量损耗产物。

就由葡萄糖生成5-HMF的选择性来说(图10D)，除CuCl₂外的所有金属盐在该助溶剂体系中均实现了比硫酸(约22％)高的选择性(约40％)，其中Al、Cr和Fe金属表现最为优异。同样，基于Fe的催化剂需要最长的反应时间，而且在全部反应时间内连续提高5-HMF选择性，在20分钟后5-HMF选择性达到38％。值得注意的是，就除CuCl₂外的所有催化剂来说，糠醛和5-HMF两者的最高选择性与由Al、Cr和Fe金属展示的糠醛最佳联产收率大致同时出现。然而，总的来说，由于生成缩合产物和LA的显著损耗反应，5-HMF选择性明显低于糠醛选择性。这是显而易见的，因为就除FeCl₃外的所有金属卤化物来说，在反应过程中观察到5-HMF选择性比糠醛选择性下降得更急剧。

就由葡萄糖生成LA的选择性来说(图10E)，所有金属卤化物都显示比硫酸低的对形成LA的选择性，这与本研究的目标一致。因为在该体系中LA由5-HMF水解制成，由于CuCl₂和硫酸对5-HMF的选择性最低，所以它们获得了最高的LA选择性。凭借推断LA选择性在更长的反应时间内有增大的趋势，以糠醛和LA的形成动力学为基础，判断糠醛和LA可能是不相容的联产物。相反，糠醛和5-HMF可以一起产生，而在与糠醛无关的反应中，以生产LA为目标将最有效率。使用基于Cr、Zr和Al的卤化物时观察到较快的糖转化，相比之下使用基于Fe和Cu的卤化物时较慢，这一现象是这些催化剂的重大差别，此差别可以帮助解释接下来的章节中报告的这些催化剂实际与生物质反应时表现出来的性能。糖反应中的可量化参数(例如糖转化率、反应性中间体选择性和这些金属卤化物催化剂的酸度)会影响生物质转化率，从而实现联产糠醛和5-HMF的高收率。

木质纤维素生物质中受关注的可催化转化为平台化合物的主要级分为纤维素、半纤维素和木质素。包含在无定形半纤维素内的木聚糖是最易获得的糖源，因为这种木聚糖能够在温和至中度苛刻度的反应下完全水解。另一方面，纤维素由为C6糖主要来源的结晶聚合葡萄糖链构成，但仍是最难被酸水解的糖级分，通常在预处理后需用纤维素酶处理来在溶液中获得葡萄糖单体的高收率。由于木质纤维素生物质中的半纤维素级分的酸不稳定性远大于结晶纤维素，所以产生糠醛的速度比产生5-HMF和LA的速度快得多。因此，直接由生物质联产糠醛和5-HMF的综合转化策略必须是可调整的，才能最大程度减少竞争性产生最不稳定产物的副反应，从而最大限度提升产物收率。基于此种理由，针对高糠醛收率进行优化是主要关注点，因为存留在溶解较慢的纤维素级分中的葡聚糖可作为固体产物回收，以供进一步酶水解和/或酸水解为葡萄糖、生物转化为醇燃料(如乙醇)、或热化学转化为5-HMF和/或LA。

THF助溶剂策略除允许操控温度、时间和酸添加量(这些因素联合构成的反应苛刻度)来优化生物质反应的收率外，还允许通过增加THF在水中的浓度来额外进行调整，以便实现更高的5-HMF选择性以及增大生物质的溶解度。数据比较了金属卤化物催化剂与硫酸在添加了5重量％枫木或玉米秸秆的1LTHF助溶剂反应中的性能。表4列出了生物质反应获得最高的糠醛和5-HMF总收率时的反应条件。同样将THF与水的比率从1:1变为7:1(按体积计)，以便确定产物收率的提高程度和单相反应体系的限制。催化剂基于类似于商业操作的质量添加，稀释度按反应中包含的总液体质量计为1重量％。

表4在使用THF助溶剂的分批反应中由枫木和玉米秸秆酸催化联产糠 醛、5-HMF和LA ^a

如表4(第1至第9次运行)中所示，除CrCl₃和ZrOCl₂外，金属卤化物催化剂对枫木和玉米秸秆二者显示出非常一致的性能，实现的最大糠醛收率接近1:1的THF：水混合物时硫酸的最大糠醛收率。各催化剂的5-HMF收率更具可比性，但这些金属卤化物产生的LA收率比硫酸低，原因是它们的5-HMF选择性增大，就像纯糖反应中发现的那样。FeCl₃表现最佳，因为它在反应进行了较长时间后布朗斯台德酸度较高、木糖转化速率较慢，且糠醛选择性较高。AlCl₃和CuCl₂表现中等，因为它们的布朗斯台德特性较温和，分别在较高5-HMF收率与较高糠醛收率之间存在折衷，折衷的程度与它们的纯糖反应选择性一致。

为了研究每种催化剂增大生物质溶解度的程度，使枫木在1LParr反应器内最初以5重量％添加生物质，还添加了0.1M当量催化剂的1:1THF助溶剂混合物中反应30分钟。图11示出了枫木原料固体的组成，和反应后按100g原始枫木进料的质量计剩余固体中各主要成分的分布。如图所示，相比于硫酸，金属卤化物增大生物质溶解度的程度小。图中还示出，在除ZrOCl₂外所有的金属卤化物参与的反应过程中，枫木内超过90％的K-木质素被除去，留下大量富含葡聚糖的固体，这些固体不含半纤维素，而含微量的其他成分。在1:1THF的反应中，最大程度增加从助溶剂反应回收得到的固体对提高该方法的经济效益至关重要，因为干净分级分离的固体适合用作生产可发酵葡萄糖的直接进料，或用于额外生产5-HMF或LA。非糖级分可能是由聚合物降解产物积聚在前述固体上形成的，因为实际情况下留在前述固体中的葡聚糖远少于硫酸催化反应获得的葡聚糖。

选用较高的溶剂比3:1时，生物质增溶的程度增加(如表4中第10至第16次运行所示)，该现象可支持更专注于生成糠醛和5-HMF且可回收的固体较少的反应策略。选用3:1的THF：水体积比时，表现最好的三种(Al、Cu、Fe)金属卤化物催化剂与硫酸相比，大大提高了用枫木和玉米秸秆联产糠醛和5-HMF的收率。在这些反应中，在生产糠醛和5-HMF、以及增大生物质溶解度方面，FeCl₃的表现胜过CuCl₂和AlCl₃，使用FeCl₃时，在生产糠醛方面，枫木和玉米秸秆的糠醛收率都为97％；在生产5-HMF方面，枫木的5-HMF收率为41％，玉米秸秆的5-HMF收率为42％；在增大生物质溶解度方面，留下的固体只有11％。CuCl₂增大生物质溶解度的速度赶不上FeCl₃，而且其催化枫木和玉米秸秆反应生成5-HMF的收率较低可以用其在糖反应中源于葡萄糖的5-HMF选择性较低(图10D)来解释。就AlCl₃来说，要调整反应使其大量联产糠醛和5-HMF很难实现，因为糠醛的最佳反应时间比5-HMF短20分钟。因此，在使用CuCl₂时，以损耗较大量5-HMF为代价获得较高的糠醛收率；而在使用AlCl₃时，以只获得较低糠醛收率为代价获得较高的5-HMF收率。总的来说，玉米秸秆和枫木在所有反应中表现前后一致表明，THF助溶剂体系在大多数情况下可处理各种原料，并能够在异质或混合的原料流中获得高收率，从而具备商业可行性。

选用4:1的溶剂比时(表4，第17次运行)，FeCl₃的表现明显优于硫酸和其他金属卤化物，由木质纤维素生物质通过一锅式单相反应获得了记录在表中的最高糠醛和5-HMF联产收率，在生产糠醛方面，枫木和玉米秸秆的糠醛收率都为95％，在生产5-HMF方面，枫木的5-HMF收率为51％，玉米秸秆的5-HMF收率为45％。选用较高的溶剂比还有利于进一步降低LA(由于其沸点很高，所以是最难回收的产物)的收率(溶剂比为4:1时，为6至7％)。因此，FeCl₃被证明是在把THF用作可混溶助溶剂的转化生物质工艺中催化联产糠醛和5-HMF的最佳金属卤化物。FeCl₃较强的酸强度允许枫木和玉米秸秆两者适度快速地解构，并且在其作用下，糠醛和5-HMF两者产量最优化需要的反应时间接近，这有利于在生物质的单次反应中获得糠醛和5-HMF两者的良好收率。如图12所示，枫木在THF：水为4:1的溶液中反应后剩余的10％固体极其富含葡聚糖，并且可在回收后由酶高效转化为葡萄糖，或由进一步的热化学反应转化为5-HMF和/或LA。图16示出了该运行的质量平衡过程，此过程确保了反应后的可溶和不可溶产物中C6产物占80％，C5产物占95％。

数据显示，THF与溶剂的比率为7:1(表4，第19次运行)或超过该比率时，反应行为突然转变为类似双相反应体系。尽管这种转变不能被定性确定(如凭借反应器中的窥镜确定)，但反应动力学和所得固体物料的组成强有力地证实该体系在此类高THF比率下为双相体系。在这种双相反应中，存在提取溶剂基本不会影响水相的脱水动力学。因此，THF将不再能够加速生物质增溶，从反应后剩余的固体级分明显变多(21％，表4中的第19次运行)可以明显看出这一点。如图12所示，该固体级分的组成分析结果还揭示，大部分葡聚糖保持未增溶状态，并且绝大多数木质素仍完好无损，没有像预期在使用THF的单相反应中那样被提取出来。还观察到约265psig的最高工作压力，其接近水和THF的饱和蒸汽压的总和，与双相系统的预期值一致。另外，由于木材中的生物质通常具有高达50重量％的含水量，所以，提高溶剂比可能会由于消耗更多的热量而损害加工生物质的经济效益(该经济效益是认为一种助溶剂体系优于其他助溶剂体系的重要考虑因素)。

图2B绘出了推荐的综合THF助溶剂策略，其运用金属卤化物催化剂增强生物质向糠醛和5-HMF的直接转化，然后提高糠醛和5-HMF分别氢化为MF和DMF的两种可能性。该项研究的实验工作致力于获得高FP收率，以便与下游的主导催化改质操作高度配合。在图中描绘的工艺概念中，将原料状态的生物质和酸催化剂连同THF助溶剂一起装入反应器中。反应后，获得了高收率的糠醛和5-HMF，收集反应后的浆料，过滤，分离出固体残留物。因为THF是低沸点溶剂(66℃)并与水形成了95.4％的共沸物，所以其易于在生物炼制过程中闪蒸出来，接着被回收和再利用。实际上，室温真空蒸馏就足以从水相回收THF。

移除THF还使从生物质中提取的木质素以固体形式沉淀出来，然后可回收木质素，再用二乙醚冲洗，制得纯度极高的木质素粉末，如图13所示。接下来可将该粉末重新溶解在THF或DMSO中，溶解的木质素粉末适于催化改质为有价值的化学品。随后，可将适当的有机溶剂(如MTHF)用作不混溶溶剂来提取糠醛和5-HMF，并将它们浓缩成有机层，从而使大部分痕量糖和污染物留在水层中。或者，如果有需要，取决于被选为对糠醛和5-HMF进行催化改质的催化体系，可把移除THF获得的水性料流直接送入催化反应器中。可以重复利用含有催化剂的水性料流，因为包含FeCl₃的水性料流在其他系统中已证实对若干反应依然有效。

实例3

THF是一种以1:5(按体积计)或更高、最高达7:1(体积比)的溶剂与水比率预处理木质纤维素生物质后，能够最大程度专门提升由生物质生成的单体糖收率的有效助溶剂。THF助溶剂预处理的操作温度在100℃至220℃范围内。THF助溶剂预处理所需的酸催化剂添加量在0重量％至10重量％范围内，具体取决于酸的类型。要实现THF助溶剂预处理的这种功能，可以分批式、连续流通式或活塞流式构造中执行THF助溶剂预处理，以便(A)对生物质进行传统的预处理，然后再酶水解；或(B)直接增大生物质的溶解度来回收糖而无需酶水解步骤。。在后一种情况(B)下，可将THF：水比率大于1:1且几乎没有或完全没有酸的THF助溶剂应用于加热的流通式反应器，以便有效增大生物质的溶解度并释出单糖和低聚糖，然后通过移走并回收THF而浓缩这些单糖和低聚糖。将加热反应(阶段1，预处理)后释出的可溶性糖总收率(C5糖+C6糖)与用糖化酶处理预处理过的固体(阶段2)后释出的可溶性糖总收率相加，计算出典型预处理的总糖收率(阶段1+阶段2)。

用稀硫酸(1重量％，又称“只用稀酸”或“不用THF”)在170℃温度下进行连续分批反应。从图3E中示出的剩余固体的质量和组成(以每100g枫木原料为基准)可以看出，在存在THF的情况下观察到了比不存在THF时明显更高的生物质增溶程度。就包含THF和水的1:1混合物的反应来说，最初存在于枫木中的酸不溶性克拉松木质素(K-木质素)按重量计超过90％的部分在10分钟内就转移到液相中，从而得到极其富含葡聚糖(葡聚糖含量超过85重量％)的固体残留物。相比之下，由未使用THF的反应得到的剩余固体的组成证实，K-木质素含量只在30分钟时略有下降，但随时间推移，由于形成了伪木质素和其他不溶于酸的降解产物而快速增加(图12)。而且，在用THF助溶剂预处理过程中葡聚糖(纤维素)的消失速度比未使用THF只用稀酸预处理时快，表明THF还催化并促进了纤维素(可能还有半纤维素)水解。

表5示出在相同的反应条件下，用只使用稀酸的方法、使用有机溶剂的方法和THF助溶剂方法预处理杨木实现的半纤维素、纤维素和木质素组分增溶效果的比较结果。因为这些实验中的反应条件苛刻度低于图3所示的反应条件，所以可以看出THF助溶剂预处理催化并提高了所有主要木质纤维素组分的增溶程度，使其超过用等当量有机溶剂(乙醇)预处理或只使用稀酸预处理所能实现的增溶程度。这意味着使用THF助溶剂预处理时，只需要提供苛刻度低得多的反应条件，就可以让水解的糖量和另外两种主导预处理方法相等。

表5。用只使用稀酸的方法、使用有机溶剂的方法和THF助溶剂方法 预处理杨木实现的半纤维素、纤维素和木质素组分增溶效果

图12比较了在THF助溶剂中使用不同酸催化剂预处理枫木后剩余固体的组成(以100g原材料为基准)。在图12中，反应苛刻度明显高于回收糖的预处理操作通常会用到的苛刻度，因为金属卤化物催化剂可用于调整预处理方法，使该方法能够用替代物即水解的C5糖以高收率制得糠醛。如图所示，在除ZrOCl₂外所有的金属卤化物参与的反应过程中，仅30分钟内枫木中超过93％的K-木质素被除去(使用硫酸时只脱除了90％的木质素)，留下富含葡聚糖的固体，这些固体适于酶法水解为葡萄糖，或直接送入发酵过程，如同步糖化发酵(SSF)和整合生物工艺(CBP)。用不同的催化剂调整THF助溶剂后，能够提出以生物质为原料的联产方案，例如以生物质为原料联产木糖和葡萄糖，或联产糠醛和葡萄糖。

将生物质中的葡聚糖水解并转化为可发酵葡萄糖主要靠纤维素酶时，这些酶抵达经预处理材料的难易程度(即经预处理材料的可及性)指示预处理策略的有效性。纤维素酶的用量也是整个工艺成本的重要决定因素，所以降低获得高糖收率所必需的酶添加量是有利的。如图17所示，对玉米秸秆、杨木、枫木这些原料来说，在酸催化下用THF助溶剂预处理过的材料比选用相同反应条件但未使用THF的反应后的材料更容易被酶水解。选用15mg蛋白/g葡聚糖的适度酶添加量对用THF预处理过的玉米秸秆执行酶法水解时，只水解48小时就实现了葡聚糖向葡萄糖的完全转化。即便对更难分解的生物质如硬木来说，用THF预处理过的材料与选用相同反应条件但未使用THF的情况相比，也能释出5倍量的葡萄糖，获得了与几乎纯净的纤维素类似的葡萄糖收率。图17中还示出(第5列)，当THF助溶剂在适宜生产糠醛和5-HMF的更苛刻反应条件下与金属卤化物催化剂结合使用时，剩余的富含葡聚糖的材料(图12中示出)仍极易被酶消化，从而转变为葡萄糖。

在图18和图19中，对玉米秸秆经受的THF预处理和非THF预处理进行优化，用30mg/g的酶添加量获得了最大的总糖回收率。据发现，THF助溶剂预处理的最佳反应条件(150℃，25分钟，0.5重量％的酸)比酸添加量相等的未使用THF只用到稀酸的预处理(160℃，20分钟，0.5重量％的酸)的苛刻度低(能量需求更低)。然后减少酶添加量(参见图18)，观察葡萄糖转化收率对其作出响应的变化趋势。如图18所示，将稀硫酸用作催化剂时，用THF助溶剂预处理过的玉米秸秆对1500纤维素酶(杜邦公司(DuPont))添加量减少作出响应的程度明显强于只用水预处理过的玉米秸秆。就THF助溶剂来说，选用5和15mg/g葡聚糖的纤维素酶蛋白添加量时，经其预处理的玉米秸秆中几乎所有葡聚糖在100小时之后都作为葡萄糖释放。另外，由2mg/g酶添加量时的葡萄糖释放曲线推断，选用这种较低的酶添加量也可使葡萄糖几乎完全释出，只不过需要更长的水解时间，如图18所示(菱形)。

图19中比较了以用THF预处理过的玉米秸秆和未用THF预处理过的玉米秸秆为原料获得的总糖收率(木糖和葡萄糖)。如图所示，对用THF预处理过的玉米秸秆来说，酶添加量低至2mg/g葡聚糖时总糖收率(20天后)仍是有效的理论值(约97％)，而只用稀酸预处理过的玉米秸秆需要30mg/g葡聚糖的酶添加量才能获得约89％的总糖收率(14天后)。这意味着与传统的只用稀酸预处理玉米秸秆的操作相比，THF助溶剂预处理将对酶的需求有效降低到不足1/10。酶添加量仅为15mg/g葡聚糖时，用THF助溶剂预处理过的玉米秸秆在1天内就获得了最大收率(97％)，相比之下，只用稀酸预处理过的玉米秸秆在14天后才获得最大收率(85％)。用THF助溶剂预处理后，不仅获得了更高的最大总糖收率，还使酶作用下实现的转化明显变快。这表明THF助溶剂能有效除去半纤维素和木质素组分，从而最大限度增大材料的可及性，除此之外还不会抑制酶功能(在只用到稀酸的预处理中观察到酶功能受抑制)。由于观察到木糖收率较高，还表明THF助溶剂能够非常有效地由生物质中的半纤维素和纤维素组分获得最大的糖收率。

图20比较了在250mL规格摇瓶实验(有效容积50mL)中，以用THF预处理过的玉米秸秆、未用THF预处理过的玉米秸秆和纤维素为原料，选用酿酒酵母进行同步糖化发酵(SSF)获得的乙醇收率。在这些实验中，摇瓶填充有4重量％的葡聚糖，高压蒸汽处理30分钟，选用Accellerase1500纤维素酶以15mg/g葡聚糖的添加量预水解18小时(150rpm，50℃)，然后接种，接种量为600nm处的光密度(OD)达到0.5(130RPM，37℃)。如图所示，与只用稀酸预处理过的玉米秸秆和纤维素相比，用THF助溶剂预处理过的玉米秸秆同步糖化发酵更短的时间就获得了更高的乙醇收率。用水充分冲洗经预处理材料(用4倍体积的水冲洗，冲洗液滤过真空滤器)，用THF预处理过的材料未显示对乙醇效价有任何明显的抑制作用。用THF预处理过的玉米秸秆获得的乙醇收率最高，为87％；只用稀酸预处理过的玉米秸秆只获得了80％的乙醇收率，作为对照物的纤维素只获得了75％的乙醇收率。

图21比较了使用热纤梭菌作为生物催化剂，对经预处理杨木进行CBP发酵以便同步实现糖类的糖化和糖类向乙醇转化时，获得的用固体增溶能力表示的收率。在CBP过程中，固体溶解度为用于确定底物性能的尺度。用THF助溶剂预处理过的杨木获得了较高的固体溶解度(图21，图例D)，与用有机溶剂乙醇预处理过的杨木的结果(图21，图例B)相当或优于有机溶剂预处理的结果，并远优于只用稀酸预处理过的杨木的结果(图21，图例A)。反应条件和标记的详情列于图21中曲线图下方的表格中。

本领域技术人员结合示例性附图阅读本发明的具体实施方式后，将更加清楚地认识到本公开的其他特征和优点。在不脱离本公开范围的前提下可以对本文所公开的系统和方法作出额外的修改和改进。因此，本文并不旨在用其中公开的实施例限制本发明。

Claims (56)

1.一种由生物质制备反应性中间体的方法，所述方法包括：

在用以制备富含葡聚糖的固体材料、单体糖、糠醛、5-羟甲基糠醛(5-HMF)和木质素产物的条件下，用包含助溶剂混合物的组合物处理生物质，其中所述助溶剂混合物为水性四氢呋喃(THF)和酸催化剂的助溶剂混合物。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述助溶剂混合物在标准温度和压力(STP)下为单相的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述酸催化剂选自由无机酸、有机酸和金属卤化物酸组成的组。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其中所述酸催化剂为硫酸、盐酸、磷酸、硝酸、甲酸、乙酸、三氟乙酸或FeCl₃。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述条件包括将所述生物质与所述组合物的组合加热到100℃至220℃。

6.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在用助溶剂预处理生物质后，从液相移除并/或回收四氢呋喃。

7.根据权利要求1或6所述的方法，所述方法还包括在从所述液相移除四氢呋喃后，通过使所述助溶剂处理过的生物质中的木质素沉淀为固体，来移除并/或回收木质素。

8.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在用助溶剂处理所述生物质后，通过共沸蒸馏或溶剂提取来从液相移除并/或回收糠醛。

9.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在助溶剂处理过程中和/或之后，通过沸腾和/或汽提来从蒸汽相移除并/或回收糠醛。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中进一步处理所述糠醛以使其被催化改质来制备四氢呋喃和/或甲基四氢呋喃。

11.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括回收包含C5和C6单糖及其低聚物的液体产物。

12.根据权利要求11所述的方法，其中用碱中和所述液体产物。

13.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在用助溶剂处理生物质后回收固体产物，其中所述固体包含富含葡聚糖的材料。

14.根据权利要求1或13所述的方法，其中用一种或多种除去木糖低聚物和链长较长的木糖聚合物的酶进一步处理所述富含葡聚糖的材料以生成木糖单体。

15.根据权利要求1或13所述的方法，其中用一种或多种除去葡萄糖低聚物和链长较长的葡萄糖聚合物的酶进一步处理所述富含葡聚糖的材料以生成葡萄糖单体。

16.根据权利要求1或13所述的方法，其中用微生物和/或用添加的酶温育所述富含葡聚糖的固体以通过发酵生成醇或其他产物。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述醇为乙醇。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述醇含有一个或多个碳分子。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述微生物选自由酵母、细菌、霉菌和真菌组成的组。

20.根据权利要求1或13所述的方法，其中所述富含葡聚糖的材料用作纸浆。

21.根据权利要求7所述的方法，其中木质素被四氢呋喃或二甲基亚砜进一步处理并捕集为液体。

22.根据权利要求1所述的方法，其中所述酸催化剂为路易斯酸和/或布朗斯台德酸。

23.根据权利要求1所述的方法，其中所述酸催化剂为酸性金属卤化物。

24.根据权利要求20所述的方法，其中所述酸性金属卤化物选自由AlCl₃、CuCl₂、CrCl₃、FeCl₃和ZrOCl₂组成的组。

25.根据权利要求1所述的组合物，其中所述水性四氢呋喃中的四氢呋喃与水的体积比为约1:5至约5:1。

26.一种将生物质的分级分离和催化转化相结合以由生物质制备反应性中间体的方法，所述方法包括：

在用以制备糠醛、5-羟甲基糠醛、乙酰丙酸、富含葡聚糖的材料和木质素的条件下，用包含四氢呋喃、水和酸催化剂的助溶剂混合物处理生物质。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述助溶剂混合物在标准温度和压力下为单相的。

28.根据权利要求26所述的方法，其中所述酸催化剂选自由无机酸、有机酸、金属卤化物酸和固体酸催化剂组成的组。

29.根据权利要求26所述的方法，其中所述酸催化剂选自由硫酸、盐酸、硝酸、甲酸、乙酸、三氟乙酸、FeCl₃、AlCl₃、CuCl₂以及它们的任意组合组成的组。

30.根据权利要求26所述的方法，其中所述条件包括将所述生物质与所述助溶剂混合物的组合加热到130℃至250℃。

31.根据权利要求26所述的方法，所述方法还包括在用助溶剂处理所述生物质后，从液相移除并/或回收四氢呋喃。

32.根据权利要求26或31所述的方法，所述方法还包括在从所述液相移除四氢呋喃后，使所述助溶剂处理过的所述生物质中的木质素沉淀为固体，来移除并/或回收木质素。

33.根据权利要求26所述的方法，所述方法还包括通过蒸馏，从所述生物质的助溶剂处理物的液相移除并/或回收糠醛和/或5-羟甲基糠醛。

34.根据权利要求26所述的方法，所述方法还包括在助溶剂处理过程中和/或之后，通过沸腾和/或汽提从蒸气相中移除并/或回收糠醛。

35.根据权利要求33所述的方法，其中所述糠醛被进一步处理以被催化脱羰和加氢来制备四氢呋喃。

36.根据权利要求26所述的方法，所述方法还包括用与水不混溶的有机溶剂从所述生物质的助溶剂处理物的液相提取并/或回收糠醛和/或5-羟甲基糠醛。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述不混溶的有机溶剂为醚、酮、醇、烷烃或它们的任意组合。

38.根据权利要求26所述的方法，所述方法还包括在用助溶剂处理所述生物质后回收固体产物，其中所述固体包含富含葡聚糖的材料。

39.根据权利要求26或38所述的方法，其中用一种或多种除去葡萄糖低聚物和链长较长的葡萄糖聚合物的酶进一步处理所述富含葡聚糖的材料以生成葡萄糖单体。

40.根据权利要求26或38所述的方法，其中用微生物和/或酶温育所述富含葡聚糖的固体以生成醇或其他发酵产物。

41.根据权利要求26或38所述的方法，其中将所述富含葡聚糖的固体进一步催化转化成5-羟甲基糠醛和/或乙酰丙酸。

42.根据权利要求32所述的方法，其中所述木质素被四氢呋喃或二甲基亚砜进一步处理并捕集为液体。

43.根据权利要求26所述的方法，其中所述酸催化剂为路易斯酸或布朗斯台德酸。

44.根据权利要求26所述的方法，其中所述酸催化剂为金属卤化物酸。

45.根据权利要求44所述的方法，其中所述金属卤化物酸选自由AlCl₃、CuCl₂、CrCl₃、FeCl₃和ZrOCl₂组成的组。

46.根据权利要求26所述的方法，其中四氢呋喃与水的体积比为约1:1至约7:1。

47.根据权利要求13或38所述的方法，其中使用选自由甲酸、乙酸、三氟乙酸以及它们的任意组合组成的组的酸将所述富含葡聚糖的材料水解为葡萄糖和葡萄糖低聚物。

48.一种系统，所述系统用于实施权利要求1至47中任一项所述的方法。

49.一种组合物，所述组合物包含生物质和四氢呋喃水性助溶剂。

50.根据权利要求49所述的组合物，所述组合物还包含酸催化剂。

51.根据权利要求49所述的组合物，其中所述四氢呋喃水性助溶剂中的四氢呋喃与水的体积比为约1:3至约7:1。

52.根据权利要求50所述的组合物，其中所述酸催化剂为路易斯酸。

53.根据权利要求52所述的组合物，其中所述路易斯酸为硫酸。

54.根据权利要求50所述的组合物，其中所述酸催化剂为金属卤化物酸。

55.根据权利要求50所述的组合物，其中所述酸催化剂为布朗斯台德酸。

56.根据权利要求54所述的组合物，其中所述金属卤化物酸选自由AlCl₃、CuCl₂、CrCl₃、FeCl₃和ZrOCl₂组成的组。