CN105283468B - 用于从富含碳水化合物的底物生产糖的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于从木质纤维素生物质生产糖的方法。木质纤维素生物质由木质纤维素纤维组成，这些木质纤维素纤维是中空的并且主要含有纤维素、半纤维素以及木质素。木质素富集在外部纤维壁中并且将这些纤维胶合成束，但内部纤维壁具有低得多的木质素浓度并且具有更容易地可接近的纤维素及半纤维素。这种方法使用真空注入以将均匀试剂注入木质纤维素纤维的中腔(中空中心)中以水解该半纤维素和纤维素来产生糖和低聚物，并且然后使用真空压力循环来将这些均匀试剂和糖以及低聚物泵送至该中腔中以及离开该中腔。一些类型的试剂是稀酸、纤维素酶、半纤维素酶、芬顿或类芬顿试剂、以及过氧化氢。通过使用湍流混合使这些试剂与工艺用水混合来将这些试剂均匀化以产生一种均匀试剂。

Description

用于从富含碳水化合物的底物生产糖的方法和系统
优先权数据
本国际专利申请要求于2014年2月2日提交的美国临时专利申请号61/934,799以及2015年1月28日提交的美国专利申请号14/608,183的优先权，这些申请各自特此以其全文通过引用结合在此。
发明领域
本发明总体上涉及用于糖化木质纤维素生物质和相关底物的方法。
发明背景
富含碳水化合物的材料如天然存在的木质纤维素生物质(木材、农业残余物等)或人造产品(如尺寸减少的软木、纸张、卡纸板等等)是用于各种各样的工业应用的非食品单糖、低聚物和聚合物的重要来源。这些材料主要由木质纤维素纤维组成，这些木质纤维素纤维典型地由纤维素、半纤维素、以及木质素组成。纤维素是一种葡萄糖的聚合物，半纤维素是各种各样的己糖和戊糖的聚合物(主要是在软木中的甘露糖和在其他生物质中的木糖)，并且木质素是一种芳香族聚合物。生物质中的主要己糖是葡萄糖、甘露糖和半乳糖，并且生物质中的主要戊糖是木糖和阿拉伯糖。不同材料的纤维素、半纤维素以及木质素的相对量高度依赖于生物质的具体类型。
无论其类型如何，生物质由“胶合”成束的纤维组成。该胶主要是木质素，并且富集在复合胞间层(纤维的外层)中。使用现有方法从生物质中提取糖的大部分成本在于分离纤维并且去除(或者重新安置)在这些纤维外部的木质素，使得这些纤维中的纤维素和半纤维素可更容易从这些纤维的外部接近。例如，从木片制造纸浆(分离的纤维)是非常耗能的，要求相当极端的操作条件下并且在硫酸盐纸浆或亚硫酸盐纸浆的情况，还有苛刻的化学品。类似地，使用蒸汽爆破、氨纤维膨胀、或其他预处理技术分离纤维所需的能量使得将生物质加工成适合于糖提取的单独的纤维的成本过高。
纤维是中空的，通常填充有空气，典型地具有大致圆形的轮廓。纤维的中空部分被称为中腔，并且典型地是约36％的纤维体积。细胞壁的密度大致是1.5g/cm3，并且大部分纤维的总体密度(当考虑空气填充的中心时)大致是0.96g/cm3。出于这个原因，大部分干燥或部分潮湿的生物质颗粒通常漂浮在水中。生物质中的气穴不容易被水取代，这是为什么木材或秸秆捆在下沉之前将漂浮持续数周或数月。
纤维总体上是长在1与4mm之间以及直径约20至40微米，取决于产生它们的植物的类型。这些纤维的壁包含大量的孔，被称为凹点或气孔，尺寸范围从30nm至1000nm。该细胞壁是约20％的纤维直径，导致该中腔具有约36％的典型纤维的体积。生物质的特征更详细地描述于Gibson，“植物材料的分级层结构和力学(The hierarchical structure andmechanics of plant materials)”，英国皇家学会界面杂志(Journal of The RoyalSociety Interface)976(2012)：2749-2766中，其特此通过引用结合在此。
起始于中腔的纤维细胞壁的内表面具有纤维中的最低浓度的木质素。纤维素、半纤维素、以及木质素在植物细胞壁中的分布详细地描述于Gierlinger等人，由van de Ven和Kadla编辑的纤维素-生物质转化(Cellulose–Biomass Conversion)中的“木质纤维素原料的拉曼成像(Raman Imaging of Lignocellulosic Feedstock)”(2013)：159，并且描述于Gierlinger，“通过拉曼映射和顶点成分分析(VCA)在微米水平上揭示植物细胞壁的分子组成上的改变(Revealing changes in molecular composition of plant cell wallson the micron-level by Raman mapping and vertex component analysis(VCA))”植物科学前沿(Frontiers in plant science)5(2014)中，这两者均特此通过引用结合在此。
聚合度(DP)被定义为大分子中单体单元的数目。在纤维素和半纤维素的情况下，这些单体单元是单糖。在生物质中，降低纤维素及半纤维素的聚合度可以用试剂完成，这些试剂引起水解和/或氧化反应。包含于纤维中的纤维素及半纤维素可以被水解为己糖单体糖(如葡萄糖和甘露糖)以及戊糖单体糖(如木糖和阿拉伯糖)。纤维素酶、半纤维素酶、稀酸溶液、强酸、以及强碱催化这些水解反应。水解还可以在高温下在不存在催化剂下进行。纤维素及半纤维素的聚合度还可以通过用由溶液中的过渡金属催化剂与过氧化氢组成的一种芬顿或类芬顿试剂来氧化而减少。
糖具有显著的经济价值并且可以被发酵为液体燃料(如乙醇、丁醇、或其他专用化学品)并且还可以用于动物营养。聚合糖(如纳米纤维素晶体)具有越来越相当大的工业利益和经济价值，因为在新颖的高性能可再生材料的发展中的可能应用。木质素和糖单体在90℃下在1.0及其以上的pH下没有显著地降解，但纤维素和半纤维素的低聚物和聚合物任意地水解。纤维素的无定形区域在小于2的pH和约90℃的温度下迅速地水解，同样地是半纤维素(它也是无定形的)。纤维素原纤维的晶态区域在大于1.0的pH和90℃下不显著降解，因为在结晶纤维素中的纤维素链之间的氢键。
当水解生物质以生产糖时，所涉及的基本限制之一是离开本体纤维的糖的质量传递，由于简单扩散的限制。一种解决方案是所希望的。在生物炼制工业中尤其需要的是一种方法，该方法通过消除分离这些纤维以及重新安置这些纤维外部的木质素的昂贵步骤来减少从生物质中提取糖的成本。还高度希望的是降低在水解过程中与生物质尺寸减少和机械混合相关的高资本和操作成本。
发明内容
在一些变体中，本发明提供了一种用于从富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供一种反应混合物，该反应混合物包含一种富含碳水化合物的底物和一种含有水解催化剂的液体溶液；
(b)使该反应混合物暴露于气相反应压力；
(c)保持该反应混合物在反应温度下持续一个反应时间以在该富含碳水化合物的底物的中腔空间内产生这些糖单体和/或聚合物；
(d)使该反应混合物暴露于一个低于该反应压力的气相排出压力，以将这些糖单体和/或聚合物从该中腔空间中排出并且进入该液体溶液中；
(e)保持该反应混合物在排出温度下持续一个排出时间；
(f)重复步骤(b)至(e)持续多个压力循环；并且
(g)回收这些糖单体和/或聚合物。
在一些实施例中，该富含碳水化合物的底物选自下组，该组由以下各项组成：天然存在的木质纤维素生物质、经处理的木质纤维素生物质、纸浆、纸张、纸基产品、富含碳水化合物的工业废物、以及其组合。在某些实施例中，该富含碳水化合物的底物包括选自下组的天然存在的木质纤维素生物质，该组由以下各项组成：尺寸减少的软木、甘蔗渣、小麦秸秆、玉米秸秆、柳枝稷、芒草、以及其组合。在一些实施例中，该富含碳水化合物的底物包括选自下组的富含碳水化合物的工业废物，该组由以下各项组成：食品废物、城市固体废物的组分、以及其组合。
这些糖单体和/或聚合物可包括呈单体、低聚物、或聚合物形式的己糖，包括葡萄糖、甘露糖、半乳糖、O-乙酰基半乳葡甘露聚糖、和纳米纤维素晶体中的一种或多种。这些糖单体和/或聚合物还可包括呈单体、低聚物、或聚合物形式的戊糖，这些戊糖包括木糖和/或阿拉伯糖。
在一些实施例中，该水解催化剂包含一种有机酸、无机酸、过氧化氢、或其组合。例如，该水解催化剂可包含硫酸，该硫酸的量产生具有约10mM至约200mM的硫酸浓度的该液体溶液。
在这些或其他实施例中，该水解催化剂可包含一种或多种芬顿或类芬顿试剂，这些试剂包括过氧化氢和一种或多种过渡金属，如选自铁、锰、或其组合的金属。在一些实施例中，该过氧化氢和这种或这些过渡金属形成约20至约100的摩尔比。
在本发明的一些实施例中，该水解催化剂包含一种或多种酶，这些酶各自具有纤维素分解活性和/或半纤维素分解活性。该一种或多种酶能以产生约0.001g/kg至约10g/kg(总酶质量/富含碳水化合物的底物质量)载酶量的量存在。
在优选的实施例中，步骤(a)中的液体溶液被提供为、或被处理以形成一种均匀混合物。例如，该方法可以包括使用湍流能量使该水解催化剂与工艺用水混合以产生该均匀混合物。湍流能量可以是在约0.5W/kg至约5W/kg的范围内。
在不同的实施例中，该反应温度是约15℃至约95℃，该反应时间是约15分钟至约8小时，并且该反应压力是约50kPa至约150kPa，如约大气压力(101.325kPa)。
该排出时间可以是约1秒至约60分钟。该排出压力可以是从约100％至约200％的该反应温度下的水平衡压力。在这些实施例中，该排出温度与该反应温度大约相同。
压力循环的数目可以广泛地变化，如从1至约200。在不同的实施例中，该压力循环的数目是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、30、40、50、60、70、80、90、100、或更大。
一些优选的实施例进一步包括，在步骤(a)之前，将该富含碳水化合物的底物上方的气体压力保持在抽空压力下并且持续一个抽空时间以在注入温度下将一种水解催化剂注入该富含碳水化合物的底物中。在一些实施例中，该注入温度小于或等于水在该抽空压力下的沸点。该注入温度可以例如是从约40℃至约90℃。该抽空压力优选地是小于该反应压力。在一些实施例中，该抽空压力是从约105％至约200％的该注入温度下的水平衡压力。该抽空时间可以是从约1分钟至约2小时。
一些方法实施例进一步包括通过调节气相组成高于该液体溶液或者与该液体溶液平衡来控制该反应混合物的pH。该气相组成可以通过改变该液体溶液上方的气顶(例如，富含CO2的气顶)的压力和/或组成来调节。
在某些实施例中，该水解催化剂包含一种有机酸、无机酸、或其组合，并且该pH被控制为约2或更小。在某些实施例中，该水解催化剂包含一种或多种芬顿或类芬顿试剂以及任选地一种或多种无机酸，并且该pH被控制在约1至约6之间。在其他实施例中，该水解催化剂包含一种或多种酶，这些酶各自具有纤维素分解活性和/或半纤维素分解活性，并且该pH被控制在约4至约7之间。
本发明的变体还提供了一种从具有中腔空间的富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物的方法，该方法包括在一种含有水解催化剂的液体溶液存在下水解该富含碳水化合物的底物，并且在反应压力与排出压力之间循环气体压力，其中在该反应压力下，这些糖单体和/或聚合物在该中腔空间内产生，并且其中在该排出压力下，这些糖单体和/或聚合物从该中腔空间中排出并且进入该液体溶液中。
在优选的方法中，这些糖单体和/或聚合物从该中腔空间输送离开的质量传递速率高于这些糖单体和/或聚合物从该中腔空间扩散离开的扩散速率。在一些实施例中，产生这些糖单体和/或聚合物的反应速率高于没有循环该气体压力的步骤的其他方面相同的方法。
本发明的变体还提供了一种用于从具有中腔空间的富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物的系统，该系统包括一个反应器，该反应器被配置成在一种含有水解催化剂的液体溶液存在下水解该富含碳水化合物的底物，以在该中腔空间内产生糖单体和/或聚合物；以及一个与该反应器处于可操作连通的压力控制单元，该压力控制单元能够在反应压力与排出压力之间循环气体压力，其中该循环使这些糖单体和/或聚合物从该中腔空间中排出并且进入该液体溶液中。
优选的系统还包括一个与该反应器处于可操作连通的混合单元，该混合单元被配置成使用湍流能量使该水解催化剂与工艺用水混合以产生一种均匀混合物。一些系统还包括一个与该反应器处于可操作连通的pH控制单元，该pH控制单元被配置成通过调节气相组成高于该液体溶液或者与该液体溶液平衡来控制该反应混合物的pH。
附图简要说明
图1是在本发明的实施例和实例中使用的实验装置的示意图。
本发明实施方式的详细说明
将通过参考多个非限制性实施例和一个或多个附图来详细描述本发明的方法、过程和系统。
本说明将使本领域普通技术人员能够制造并使用本发明，并且描述了本发明的若干实施例、修改、变型、替代方案以及用途。当结合附图参考本发明的以下详细说明时，本发明的这些和其他实施例、特征以及优点对于本领域技术人员来说将变得更清楚。
如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一个/一种(a/an)”以及“该(the)”包括复数指示物。除非另外定义，否则在此使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。
除非另有说明，否则本说明书和权利要求书中使用的表示参数、条件、结果等的所有数值应被理解为在所有情况下用术语“约”来修饰。因此，除非有相反说明，否则在以下说明书和所附权利要求书中阐明的数值是近似值，这些近似值可以根据具体的算法和计算而变化。
与“包括(including)”、“含有(containing)”、或“特征为”同义的术语“包含(comprising)”是包容性的或开放性的并且不排除附加的、未列举的要素或方法步骤。“包含”是在权利要求语言中使用的专门术语，它是指指定的权利要求要素是必需的，但是可以添加其他权利要求要素并且仍构成在该权利要求范围内的概念。
如在此所用，短语“由……组成”排除未在该权利要求中指明的任何要素、步骤或成分。当短语“由……组成”(或其变体)出现在权利要求的主体的条款中，而不是紧跟在前言之后时，它只限制在该条款中阐述的要素；其他要素作为整体未被排除在该权利要求之外。如在此使用的，短语“主要由…组成”将权利要求的范围限制到指定要素或方法步骤，加上不实质地影响要求保护的主题的基础和一个或多个新颖特征的那些。
关于术语“包含”、“由…组成”和“主要由…组成”，当在此使用这三个术语中的一个时，当前披露的并且要求保护的主题可以包括使用另外两个术语中的任一个。因而，在一些没有另外明确陈述的实施例中，“包含”的任何实例可以替换成“由……组成”，或可替代地替换成“主要由...组成”。
在此描述的实施例不应当受到关于反应机制、质量传递机制、或原料或产物的描述的任何理论或推测的限制。
本发明的一些变体以上述问题的技术方案为前提，该问题是当水解生物质产生糖时，当依赖于简单扩散时糖从本体纤维离开的质量传递从根本上受到限制。在纤维中腔(纤维内的开放空间)中产生溶解的糖的催化水解过程中或之后，压力循环被用于泵出所溶解的糖进入液相，从而改进从纤维离开的整体产物质量传递并且改进内部水解动力学。在此处的实例中证实本发明的原理。
纤维中的中腔的低扩散系数和相对长的长度使得使用扩散使试剂注入纤维中或者使用扩散从该中腔中去除高分子量糖是不切实际的。本发明的优选变体采用真空注入用于将试剂注入纤维的中腔内，以及真空排出用于从纤维的中腔中提取出糖。与花费数天、数周、或数月的扩散相比，真空注入和真空排出呈现分钟的数量级。
本发明的一些变体可以通过消除分离这些纤维以及重新安置这些纤维外部的木质素的昂贵步骤显著地减少从生物质中提取糖的成本。然而，一种均匀试剂可以在真空下注入纤维的中腔内，其中存在很少的木质素以防止水解。在中腔中的水解从纤维素及半纤维素产生糖之后，然后可以使用真空来使纤维内的残留的气泡膨胀以从该中腔中排出糖使得他们可以被回收。
本发明的变体提供了一种从具有中腔空间的富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物的方法，该方法包括在一种含有水解催化剂的液体溶液存在下水解该富含碳水化合物的底物，并且在反应压力与排出压力之间循环气体压力，其中在该反应压力下，这些糖单体和/或聚合物在该中腔空间内产生，并且其中在该排出压力下，这些糖单体和/或聚合物从该中腔空间中排出并且进入该液体溶液中。
在优选的方法中，这些糖单体和/或聚合物从该中腔空间输送离开的质量传递速率高于这些糖单体和/或聚合物从该中腔空间扩散离开的扩散速率。在一些实施例中，产生这些糖单体和/或聚合物的反应速率高于没有循环该气体压力的步骤的其他方面相同的方法。
本发明的变体还提供了一种用于从具有中腔空间的富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物的系统，该系统包括一个反应器，该反应器被配置成在一种含有水解催化剂的液体溶液存在下水解该富含碳水化合物的底物，以在该中腔空间内产生糖单体和/或聚合物；以及一个与该反应器处于可操作连通的压力控制单元，该压力控制单元能够在反应压力与排出压力之间循环气体压力，其中该循环使这些糖单体和/或聚合物从该中腔空间中排出并且进入该液体溶液中。
优选的系统还包括一个与该反应器处于可操作连通的混合单元，该混合单元被配置成使用湍流能量使该水解催化剂与工艺用水混合以产生一种均匀混合物。一些系统还包括一个与该反应器处于可操作连通的pH控制单元，该pH控制单元被配置成通过调节气相组成高于该液体溶液或者与该液体溶液平衡来控制该反应混合物的pH。
在一些变体中，本发明提供了一种用于从富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物的方法，该方法包括以下步骤：
(a)提供一种反应混合物，该反应混合物包含一种富含碳水化合物的底物和一种含有水解催化剂的液体溶液；
(b)使该反应混合物暴露于气相反应压力；
(c)保持该反应混合物在反应温度下持续一个反应时间以在该富含碳水化合物的底物的中腔空间内产生这些糖单体和/或聚合物；
(d)使该反应混合物暴露于一个低于该反应压力的气相排出压力，以将这些糖单体和/或聚合物从该中腔空间中排出并且进入该液体溶液中；
(e)保持该反应混合物在排出温度下持续一个排出时间；
(f)重复步骤(b)至(e)持续多个压力循环；并且
(g)回收这些糖单体和/或聚合物。
在一些实施例中，该富含碳水化合物的底物选自下组，该组由以下各项组成：天然存在的木质纤维素生物质、经处理的木质纤维素生物质、纸浆、纸张、纸基产品、富含碳水化合物的工业废物、以及其组合。在某些实施例中，该富含碳水化合物的底物包括选自下组的天然存在的木质纤维素生物质，该组由以下各项组成：尺寸减少的软木、甘蔗渣、小麦秸秆、玉米秸秆、柳枝稷、芒草、以及其组合。在一些实施例中，该富含碳水化合物的底物包括选自下组的富含碳水化合物的工业废物，该组由以下各项组成：食品废物、城市固体废物的组分、以及其组合。
生物质经常具有很少或不具有经济价值，因为生物质的低本体密度(50至150kg/m3)和生物质的吸水性使得运输是不经济的。运输生物质衍生的糖是更加有吸引力的。生物质中的糖具有高的经济价值，但是与来自甘蔗、甜菜或玉米中的糖相比通常不具有成本竞争力，因为运输该生物质、将这些纤维彼此分离、以及然后从这些纤维中提取这些糖的高成本。本发明的一些实施例使得从在生物质源附近的生物质中提取糖，并且然后运输这些更高本体密度的所提取的糖是实用且经济的，从而显著降低每千克生产的糖的运输成本。
本发明优选的实施例可以使用三种类型的试剂：酶试剂、稀酸试剂、和/或芬顿或类芬顿试剂。任何这些试剂可以适合于生产糖单体或聚合物，包括纳米纤维素晶体。
稀酸试剂是酸(如硫酸或盐酸或其混合物)的稀释的水溶液，具有总体上在0与2之间、优选地在0.5与1之间的pH。当使用稀酸试剂时，典型地使用在90℃下或以上的水解温度。这些酸可以是无机或酸。
在一些实施例中，该水解催化剂包含一种有机酸、无机酸、或其组合。例如，该水解催化剂可包含硫酸，该硫酸的量产生具有约10mM至约200mM的硫酸浓度的该液体溶液。
采用无机酸的不同实施例可以使用硫酸、亚硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、过氧化氢、氢氟酸、亚硝酸、叠氮酸、或其组合或盐。采用有机酸的不同实施例可以使用乙酸、乙酰乙酸、柠檬酸、甲酸、乳酸、抗坏血酸、苯甲酸、丙酸、3-羟基丙酸、碳酸、乙醇酸、乙醛酸、甘油酸、丙烯酸、己二酸、丙二酸、甲基丙二酸、琥珀酸、苹果酸、酒石酸、衣康酸、中康酸、戊二酸、或其组合或盐。当使用一种弱酸如乙酸时，与更强的酸如硫酸相比，更高的浓度总体上将是必需的。
不同的实施例在约1与6之间的pH以及在约15℃与95℃之间的温度下采用芬顿试剂或类芬顿试剂，这些试剂由溶液中的过渡金属催化剂与过氧化氢组成。与过渡金属催化剂反应以解聚纤维素和/或半纤维素的含有过氧化氢的试剂在此被称为“芬顿试剂”(当基于Fe时)，和“类芬顿试剂”(当基于另一种过渡金属催化剂时)。该过渡金属催化剂最常见的是Fe(II)或Mn(II)，但是可以采用其他的，如Co、Ni、Mo、Cu、Zn等。纤维素及半纤维素的解聚在此被称为水解，不论该解聚是由糖苷键的水解或使用一种芬顿或类芬顿试剂破坏键引起。
在一些实施例中，该水解催化剂可包含一种或多种芬顿或类芬顿试剂，这些试剂包括过氧化氢和一种选自铁、锰、或其组合的金属。芬顿或类芬顿试剂还可以连同一种酸(作为该试剂的一部分)一起被提供。芬顿试剂可包括FeSO4/H2O2、FeSO4/H2SO4/H2O2、FeCl2/H2O2、或FeCl2/HCl/H2O2的溶液，和/或类芬顿试剂可包括基于Mn(代替Fe)的类似的组成。在一些实施例中，该过氧化氢和该金属形成约20至约100(如约30、40、50、60、70、80、或90)的摩尔比(H2O2/金属)。典型地，使用一种无机酸(如H2SO4或HCl)将这些芬顿或类芬顿试剂调节至在1与6之间的pH。因此，在一些实施例中，该水解催化剂包含与一种或多种无机酸结合的一种或多种芬顿或类芬顿试剂。这些芬顿或类芬顿试剂在宽范围的温度下对于水解是有效的，该温度在从约15℃至约95℃的范围内，如约20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、或90℃。用于水解不同类型的富含碳水化合物的材料(例如，但不是唯一地，木质纤维素生物质)的这些试剂的最佳的组成和操作条件对于本领域的技术人员是已知的。
在3至5的pH范围和最高达100℃的温度下使用芬顿试剂解聚纤维素的说明是在2010年4月20日发布的美国专利号7,700,764，Heijnesson-Hultén，“制备微原纤多糖的方法(Method of preparing microfibrillar polysaccharide)”中，该专利特此通过引用结合在此。芬顿反应作为pH和温度的函数的动力学说明是在Khamaruddin等人，“使用芬顿试剂用于二异丙醇氨的降解：温度和pH的影响(Using Fenton’s reagents for thedegradation of diisopropanolamine:effect of temperature and pH)”，环境与产业创新国际会议(International conference on environment and industrialinnovation)，新加坡，2011中，其特此通过引用结合在此。在高温和pH 1.7下使用芬顿试剂的效力的说明是在de Tuesta等人，“用于磺化植物废水的处理的高温芬顿氧化的应用(Application of high‐temperature Fenton oxidation for the treatment ofsulfonation plant wastewater)”，化学技术和生物技术杂志(Journal of ChemicalTechnology and Biotechnology)(2014)中，其特此通过引用结合在此。
在一些实施例中，该水解催化剂包含过氧化氢，不一定存在或添加一种过渡金属。在一些实施例中，一种方法包括仅注入过氧化氢而不添加任何过渡金属催化剂。例如，在一个预处理步骤中这些过渡金属催化剂可以被吸附在该中腔中，并且然后仅引入过氧化氢作为试剂与这些过渡金属催化剂反应，这些过渡金属催化剂在该预处理步骤中已经被吸附在该中腔中。还将认识到的是过渡金属天然存在于该生物质中并且这些天然过渡金属对于原位形成芬顿或类芬顿试剂可以是有效的。在一些实施例中，仅使用过氧化氢在适合的条件下可以解构生物质。
在本发明的一些实施例中，该水解催化剂包含一种或多种酶，这些酶各自具有纤维素分解活性和/或半纤维素分解活性。酶试剂优选地是具有优选地在4.5与6.5之间的操作pH以及典型地在40℃与50℃之间的水解温度的纤维素分解活性的酶的组合(主要是纤维素酶和半纤维素酶)。取决于酶类型和操作条件，酶浓度可以从每kg底物毫克至克酶变化。该一种或多种酶能以产生约0.001g/kg至约10g/kg(总酶质量/富含碳水化合物的底物质量)载酶量的量存在。
在优选的实施例中，步骤(a)中的液体溶液被提供为、或被处理以形成一种均匀混合物。例如，该方法可以包括使用湍流能量使该水解催化剂与工艺用水混合以产生该均匀混合物。湍流能量可以是在约0.5W/kg至约10W/kg(如约5W/kg)的范围内。
在一些实施例中，首先使用湍流能量用工艺用水使浓缩试剂均匀化以形成一种均匀试剂。使用足够的湍流能量，使得Kolmogorov长度规模是在小于中腔直径(例如，约20微米)的数量级上。试剂可以是生物或化学来源的天然或人造的具有足够的纤维素分解和半纤维素分解活性的任何物质、纯或组合的如有机酸和无机酸(例如硫酸)、酶(例如纤维素酶和半纤维素酶)、芬顿或类芬顿试剂、纯过氧化氢，或任何其他适合的物质。
一些方法首先使用湍流能量用于混合使一种或多种所选择的试剂与工艺用水均匀化以生产一种均匀试剂。使用Kolmogorov长度规模，并且因为在20℃下的水的运动粘度是约10–6m2/s，混合这些试剂和工艺用水至20微米规模所需的能量是约6.25W/kg。与通过常规方法的生物质水解中典型地使用的机械混合能量的量相比，这是非常适度的混合能量。在更高的温度下，甚至需要更少的混合能量。
本领域的技术人员将认识到存在可以用这种能量混合的许多简单的混合装置。一种此类简单的混合装置是一个25mm直径的8米长的具有0.0014的管粗糙度的塑料管，用2.8升/秒(6CFM)的真空泵(保持注入过程中的真空)从大气压力(100kPa)至20kPa的真空进行注入。由于压降在该管中的耗散的功率是226.4W。液体在该管中的总量是4.05kg，所以每千克耗散的功率是约56W/kg，这是比20微米规模下混合所需要的显著更多的功率(该示例性流速对于在1.8小时内注入18m3是足够的)。
一些优选的实施例进一步包括，在步骤(a)之前，将该富含碳水化合物的底物上方的气体压力保持在抽空压力下并且持续一个抽空时间以在注入温度下将一种水解催化剂注入该富含碳水化合物的底物中。在一些实施例中，该注入温度小于或等于水在该抽空压力下的沸点。该注入温度可以例如是从约40℃至约90℃。该抽空压力优选地是小于该反应压力。在一些实施例中，该抽空压力是从约105％至约200％的该注入温度下的水平衡压力。该抽空时间可以是从约1分钟至约2小时。
当将真空施加至这些起始生物质时，则在真空下将该均匀的试剂注入该生物质中。因为这种注入(在一些实施例中)是在真空下完成的，这些试剂快速地且均匀地分布在这些纤维和生物质之中。当去除真空时，这些试剂被吸入这些纤维的中腔中。
该均匀试剂的温度应该是足够低的，使得该均匀试剂中的水在注入压力下不沸腾，其中沸腾引起蒸气作为大气泡快速释放。还可以重要的是该温度保持低于该压力下的平衡温度。因为水通常是该均匀试剂的主组分，水平衡数据可以用于确定在给定的压力下的工作温度并且反之亦然。例如，如果该均匀试剂的注入温度是约55℃，该注入压力应该是大于约20kPa。此结果是当在90℃下使用稀酸水解时，如果该注入压力是约20kPa，该均匀试剂(例如，硫酸溶液)的注入温度应该是小于约55℃，并且在该均匀试剂的注入之后必须将该温度升高至约90℃。
在不同的实施例中，该反应温度是约15℃至约95℃，如约20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、或90℃。在不同的实施例中，该反应时间是约15分钟至约8小时，如约30分钟或1、2、3、4、5、6、或7小时。在不同的实施例中，该反应压力是约50kPa至约150kPa，如约大气压力(101.325kPa)、或约60、70、80、90、100、110、120、130、或140kPa。
该排出时间可以是约1秒至约60分钟，如约10、30、或60秒或约2、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、或55分钟。该排出压力可以是从约100％至约200％的该反应温度下的水平衡压力。在这些实施例中，该排出温度与该反应温度大约相同，但是该排出温度可以低于或高于该反应温度。
压力循环的数目可以广泛地变化，如从1至约200。在不同的实施例中，该压力循环的数目是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、30、40、50、60、70、80、90、100、或更大。该压力循环可以周期性地、连续性地、或半连续地进行。在压力循环之间的时间长度可以变化。如果希望的话，可以使用特定压力分布。例如，可以利用与下降的排出压力交替的固定的反应压力。或者循环时间随着时间的推移可增加或减少等等。
将真空周期性地施加(即，在每个压力循环之后)至该混合物上以泵送现在溶解的富含糖的溶液离开该中腔并且使该溶液与在这些纤维外部的均匀试剂混合，其中这些糖是稀释的。当去除该真空时，具有较低浓度糖的均匀试剂被泵送回到该中腔内。当水解完成时，可以将真空施加至该混合物上以泵送这些糖离开该中腔，并且同时在真空下该液体可以被排出该生物质。
如在此使用的，糖“聚合物”意思是一种具有至少二的聚合度的糖分子链。可以产生糖“低聚物”(通常具有2至约8的聚合度)，和/或还可以产生并且提取更长的聚合物(例如，具有约8或更高的聚合度)。糖单体或聚合物可以完全溶解于溶液中，或悬浮于溶液中。
这些糖单体和/或聚合物可包括呈单体、低聚物、或聚合物形式的己糖，包括葡萄糖、甘露糖、半乳糖、O-乙酰基半乳葡甘露聚糖、和纳米纤维素晶体中的一种或多种。这些糖单体和/或聚合物还可包括呈单体、低聚物、或聚合物形式的戊糖，这些戊糖包括木糖和/或阿拉伯糖。一些实施例优先地产生单体糖，这些单体糖比聚合糖更可发酵，而一些实施例优先地产生聚合糖，因为聚合糖的显著更高的价值。
随着纤维素及半纤维素解聚，这些碎片变得从生物质脱离并且变得与水更易混合。单体糖和低聚物糖是非常可溶于水的，并且一些高分子量聚合糖(如来自软木的O-乙酰基-半乳葡甘露聚糖)也是非常可溶于水的。无定形区域中的纤维素解聚以产生纳米纤维素描述于Nelson，“一些纤维素材料的水解的表观活化能(Apparent activation energy ofhydrolysis of some cellulosic materials)”，聚合物科学杂志(Journal of PolymerScience)43142(1960)：351-371中，其特此通过引用结合在此。
纳米纤维素晶体(还称为纳米晶体纤维素或纤维素纳米晶体)是由纤维素原纤维的无定形区域的酸水解制成的并且具有100-600nm的长度和2-20nm的直径。根据Peng等人，“纳米结晶纤维素及其衍生物的化学性质和应用：纳米技术观点(Chemistry andapplications of nanocrystalline cellulose and its derivatives:ananotechnology perspective)”加拿大化学工程杂志(The Canadian Journal ofChemical Engineering)895(2011)：1191-1206，其特此通过引用结合在此，硫酸和盐酸酸广泛地用于纳米纤维素晶体的制备中。由于在其表面上的丰富的带电硫酸根基团，由硫酸水解获得的纳米纤维素晶体容易分散于水中，而由盐酸水解产生的那些不那样容易地分散，并且它们的水性悬浮液倾向于絮凝(Peng等人)。出于这个原因，当生产纳米纤维素晶体时，本发明的优选的实施例使用硫酸。
来自生物质的糖的主要高分子量聚合物是纳米纤维素晶体(69kDa)、O-乙酰基半乳葡甘露聚糖(20kDa)、阿糖基木聚糖(300kDa)、阿拉伯半乳聚糖(40kDa)、以及木葡聚糖(470kDa)。糖的高分子量聚合物相当缓慢地在水中扩散，具有在25℃下约10–11m2/s的平均扩散系数。当扩散至或离开软木片时，扩散系数减少了约40％来解释扩散路径的弯曲度，具有与其他类型的生物质类似的减少。给定12mm的平均木片尺寸，并且假定扩散从木片的两端发生，糖的高分子量聚合物扩散离开木片6mm花费大约(0.006m)2/(10–11m2/s)/0.40＝9×106秒或约104天。类似地，硫酸扩散至木片中花费约19小时并且葡萄糖扩散离开木片的中心花费1.8天。从25℃至50℃升高该温度大约使扩散系数加倍，并且从25℃至90℃升高该温度大约使扩散系数成四倍，但用于扩散至或离开纤维的时间尺度仍然太长而不实际。
在一些实施例中，将真空施加至该生物质，并且在真空下将该均匀试剂注入这些纤维中。在某些实施例中，通过保持真空，同时允许该均匀试剂被吸入底部的反应容器中，将纤维灌注。当使用稀酸水解时，纤维素及葡萄糖的高分子量聚合物将被溶解在该中腔中。这些需要通过将真空施加至该混合物上从该中腔周期性地被排出。一旦该水解已经完成，通过施加真空并且从该生物质中排出该糖溶液，可以从这些纤维的中腔中提取该糖溶液。
一些方法实施例进一步包括通过调节气相组成高于该液体溶液或者与该液体溶液平衡来控制该反应混合物的pH。该气相组成可以通过改变该液体溶液上方的气顶(例如，富含CO2的气顶)的压力和/或组成来调节。
在某些实施例中，该水解催化剂包含一种有机酸、无机酸、或其组合，并且该pH被控制为约2或更小。在某些实施例中，该水解催化剂包含一种或多种芬顿或类芬顿试剂，并且该pH被控制在约2至约6之间(如约2至4)。在其他实施例中，该水解催化剂包含一种或多种酶，这些酶各自具有纤维素分解活性和/或半纤维素分解活性，并且该pH被控制在约4至约7之间。
众所周知，精确的pH控制对于生物质的有效水解是关键要求。根据所使用的一种或多种试剂的性质，可以使用不同的方法。在稀酸的情况下，这些试剂将以足够量加入，以使pH达到较低水平(如在1与3之间)用于有效水解。这些酸典型地是足够强的以抵消可能存在的其他影响pH的物质的影响。
当使用酶时，这些要求更复杂。具体地，纤维素酶和半纤维素酶的一个关键特征是在低于中性的窄范围pH内它们水解纤维素及半纤维素。当使用纯的纤维素或半纤维素时，在木质素已经被去除之后，该最佳pH是约5。然而，当存在可以吸收这些酶的木质素时，最佳pH是约6。这描述于Lan等人，“木素纤维素的酶糖化应该在升高的pH 5.2–6.2下进行(Enzymatic saccharification of lignocelluloses should be conducted atelevated pH 5.2–6.2)”，生物能研究(BioEnergy Research)62(2013)：476-485中，其特此通过引用结合在此。
因为经常该底物可能包含趋向于增加该pH高于所希望范围的材料，这个水平的pH的保持可能有挑战性。例如，碳酸钙经常被用作一种纸张涂料，并且以高浓度存在于废纸中。当溶解于水中时，碳酸钙使水更碱性，经常远高于pH 8，其中碳酸钙的溶解度随着温度的增加而减少。此影响可以通过用一种降低pH的弱酸或温和的酸缓冲该试剂溶液来抵消。一种有效的弱酸是碳酸，该碳酸可以通过将二氧化碳(CO2)溶解于水中形成。通过控制该均匀反应物之上的气顶的组成(例如，通过提供富含CO2或者完全由CO2组成的气顶)，可以控制碳酸在溶液中的量以有效地缓冲该溶液，免受碱化剂的影响。当水用碳酸钙饱和时，并且当二氧化碳在水中的分压是10kPa(0.1大气压)时，水的pH是6.63，并且当该分压是100kPa(1.0大气压)时，该溶液的pH是5.96。当二氧化碳的分压是大气的分压(35Pa，3.5×10–4大气压)时，该溶液的pH是8.27。因此，通过控制CO2在该气顶中的量和/或CO2分压，即使在用碳酸钙饱和的条件下，人们可以控制pH。
当使用稀酸水解时，该均匀试剂的pH应保持约1至2。在一些实施例中，在90℃下的均匀试剂包含在10mM(pH 1.97)与200mM(pH0.80)之间的硫酸。约1的pH比约2的pH水解快约10至20倍。稀酸水解的动力学描述于Lenihan等人，“木质纤维素生物质的稀酸水解的动力学建模(Kinetic modelling of dilute acid hydrolysis of lignocellulosicbiomass)”，生物燃料生产—最新发展和前景(Biofuel production—recentdevelopments and prospects)，InTech，克罗地亚(Croatia)(2011)：293-308中，其特此通过引用结合在此。
用碳酸钙中和稀硫酸糖溶液对于每kg硫酸产生1.4kg的硫酸钙(石膏)。硫酸钙具有20℃下0.255g/L和90℃下0.22g/L的溶解度。当用碳酸钙中和时，100mM的硫酸溶液将沉淀约13.4g/L的硫酸钙。在浓缩之后更多的硫酸钙从该糖溶液中沉淀并且进一步通过过滤进行分离。硫酸钙是无毒的并且也可以用作一种土壤改进剂。硫酸钙的溶液具有约7的pH。
在一些实施例中，硫酸溶液用氢氧化钠中和，产生硫酸钠。硫酸钠比硫酸钙更加可溶于水中并且类似地是无毒的。硫酸钠的溶液具有约7的pH。
本领域普通技术人员将认识到已知的装置可以用于在此披露的过程、系统、和方法中。在此的过程可以是分批的、连续、半连续、或假连续的。对“容器”或“反应器”的任何提及在此应被解释为意思是一个或多个此类装置(如串联或并联)。不同的流动型态可以是所希望的或观察到的。在涉及多相的化学反应以及同时的质量传递过程的情况下，流体动力学可能是相当复杂的。取决于特定的设计，流动型态可接近活塞流或良好混合的混合流。
生产量、或加工能力可以广泛地从小实验室规模单元至完全商业规模的生物精炼厂(包括任何中试、示范、或半商业规模)变化。在不同的实施例中，该加工能力是至少约1千克/天、10千克/天、100千克/天、1吨/天(所有吨是公吨)、10吨/天、100吨/天、500吨/天、1000吨/天、2000吨/天、或更高。
整个系统可以处于一个固定的位置，或使它可以是便携式的。该系统可以使用模块构造，这些模块可以简单地复制用于实际的按比例放大。
不同的探针可以允许精确的过程监测以及跨过该过程的不同阶段的控制，高达并且潜在地包括该过程的所有阶段。当操作历史可以用来调节过程条件(包括压力循环程序)时，精确的过程监测将预期产生(既动态地也在一定时期内)产率和效率改进。在一些实施例中，反应探针被布置成与一个加工区域可操作连通。此类反应探针对于提取液体样品并且分析它们可以是有用的，以便确定水解的程度、或糖分布(profile)等。过程调节可以基于测量值(若认为必要或令人希望的)，使用众所周知的过程控制原理(反馈、前馈、比例-积分-微分逻辑等)。
在该过程内产生或存在的固体、液体、和气体流可以被独立地再循环，传递给后续步骤，或从该过程在任何点被去除/清扫。
实例
以下实验证明了本发明的原理。以上描述的压力循环已经通过实验证据示出，对于从一种富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物是有用的。
图1的实验装置被设计为重现一个工业单元的工业过程功能，关于温度、压力、以及流量控制。它与一个工业单元的不同之处在于该生物质(该样品)的加载和卸载。该实验装置用于以下所有的实例中，除了实例1之外，实例1使用一种布氏烧瓶来将水注入若干类型的生物质中。
参见图1，实验装置100由一个主注入容器102组成，在操作下该主注入容器保持几乎完全浸入一个恒温槽101内，该恒温槽可以在宽范围温度内运行并且其精确的温度控制通过一个温度控制器114确保。用一个可移动且密封的盖118封闭注入容器102。注入容器102和密封的盖118被设计为能够保持并且维持如通过这些过程条件所要求的真空条件。可以将所希望量的样品材料117(完全干燥或如原样)放置在注入容器102内。注入容器102可以经由一个CO2瓶106和一条CO2管线107供应有CO2。在CO2管线107上，一个流量/压力调节器108用来设置该CO2被递送至注入容器102的压力。一个真空泵103用于抽真空并且保持注入容器102内部的真空。压力指示器116和温度指示器119被安装在注入容器102上。注入容器102通过一个闸阀109与具有所制备的均匀试剂的一个容器105连接。真空泵103经由一条管线与注入容器102连接，在该管线上安装一个压力调节器110。压力调节器110允许注入容器102压力在一个宽范围的真空水平内被调节，而真空泵103在恒定速度下运行。在注入容器102的气体出口上的一个四通阀104允许从样品端口111去除样品，隔离注入容器102，循环压力116，并且使该样品的一部分再循环回到注入容器102中而不改变在它内部的压力和气顶组分。
用于实例2至7的实验程序如下。CO2用于该气顶中以控制该反应混合物的pH。在使用稀酸水解的情况下，任何惰性的或非惰性的其他气体(包括空气)可以用于该气顶中，实验程序是相同的。根据该实验的具体需求分别制备预混合的和pH缓冲的水溶液；任选地可以将该水溶液预热至所考虑的温度。该生物质样品被放置在注入容器102内部。注入容器102中不存在液体。典型地，该样品被原样放置在该注入容器内部并且不进行干燥。注入容器102被放置在恒温槽101中，该恒温槽在设置用于该实验的温度下运行。一旦盖118被放置在注入容器102的顶部，使用真空泵103和来自管线107的CO2，冲洗任何空气并且在该样品的顶部形成一种CO2气氛。一旦确保了任何残余空气的冲洗，来自管线107的新鲜CO2流通过操作流量控制器115来中断。注入容器102中的压力被允许通过经由压力调节器110控制它下降至在该实验中限定的水平。
一旦压力和温度稳定在所希望的水平下，闸阀109被打开并且该预混合的均匀试剂被允许进入注入容器102中，在该注入容器中发生注入。样品材料的量以这样一种方式设置，使得取决于该材料的本体密度，一旦该液体的进料中断，该样品被完全浸没。通过精确地选择的温度和压力，可以避免该液体的沸腾(沸腾引起气泡的大量释放)。在该注入完成并且闸阀109闭合之后，CO2的一个大气压的分压通过打开并且调节流量和压力控制器108来建立。
然后可以进行该实验持续所希望的持续时间。如果在该实验过程中需要液体样品，一个注射器可以与四通阀104样品端口111连接，该样品端口被设置为允许该注射器充满液体。一旦该注射器被去除并且样品端口111被闭合，任何残余的液体通过该四通阀歧管流动回到该容器中。
这种实验布置允许循环该压力。如果压力循环是所希望的，闭合流量和压力控制器108并且四通阀104朝向到真空泵103内的管线开放。该压力水平通过设置压力调节器110进行调节。在达到所希望的低压时，将此保持持续所希望的时间并且然后闭合四通阀104以隔离该真空管线并且再次打开流量和压力控制器108以允许CO2在注入容器102内部流动并且重建更高的分压。在该程序过程中，该气顶保持由主要CO2和可处于平衡的任何水蒸汽组成的。在完成该实验后，可移动的盖119被提升并且液体和固体内容物被移除用于分析和进一步处理。在进行任何进一步的分析之前，然而，用冰水迅速冷却这些样品以停止任何水解。
用于确定所溶解的糖浓度的分析方法是衍射分析或者使用二硝基水杨酸测定(DNS测定)以确定所溶解的还原糖的浓度的分光光度吸光度，如描述于美国能源部(Department of Energy)，在2008年1月发布的国家可再生能源实验室技术报告(NationalRenewable Energy Laboratory Technical Report)NREL/TP-510-42628中，该报告特此通过引用结合在此。因为两种方法都是光学方法并且将受悬浮固体的存在影响，甚至当良好时，在被分析之前在一个实验室离心机中将样品在高速(14,000RPM)下离心持续五分钟。
实例1：真空注入和排出的演示。
一个500mL布氏烧瓶与一个具有阀的塞子一起使用，当打开时，该阀将水缓慢地拉入该烧瓶内同时保持真空压力。10mm长度的秸秆被放置在该烧瓶的底部并且将一个硬币定位在它的顶部。然后真空泵使压力降低至16kPa并且保持在这个压力下持续5分钟。然后在16kPa的压力下将大约200mL的水倾入该烧瓶中。然后使该压力回到100kPa持续5分钟。将该硬币从该秸秆上抖落并且该秸秆保持在该烧瓶的底部。降低该压力至16kPa并且该秸秆漂浮到该顶部。当该压力再次增加至100kPa时，该秸秆下沉。将此重复10次，其中该秸秆在该压力改变之后几乎立即交替地漂浮和下沉。
类似地，12mm干燥松树木材立方体被放置在该烧瓶的底部并且将一个硬币定位在它的顶部。然后真空泵使压力降低至16kPa并且保持这个压力持续10分钟。然后在16kPa的压力下将大约200mL的水倾入该烧瓶中，并且使该压力回到100kPa持续15分钟。将该硬币从该木材立方体上抖落并且该木材立方体保持在该烧瓶的底部。降低该压力至16kPa并且该木材立方体立即漂浮到该顶部，并且当该压力再次增加至100kPa时，该木材立方体在约15秒的延迟之后下沉。将此重复10次，其中该木材立方体在该压力改变之后交替地快速漂浮并且缓慢地下沉。
用木材立方体进行相同的试验，除了最初真空压力被保持持续30分钟代替10分钟之外。结果是相同的，除了存在在下沉之前约5秒的延迟代替在下沉之前约15秒的延迟之外。
这个实例1示出了有可能的是使用真空注入来使溶液注入至该木质纤维素生物质的中腔中并且使用真空排出以从该木质纤维素生物质的中腔中排出溶液。
实例4：有酶水解的过程演示。
一种可商购的纤维素酶以粉末形式由制造商(诺维信公司(Novozymes))提供。以上描述了该装置(图1)。将足够量的酶添加至水中以确保一旦与50克底物(干基)相接触，在该系统中的总体干固体是15wt％。该底物是纸张。为了代表典型的再循环纸的混合，该样品是50％的办公用纸(硫酸盐纸浆)和50％的新闻用纸(机械纸浆)。
以0.05、0.11、和0.17克酶/克底物的单位负载添加酶，其中该底物是纸样品的纤维素部分。将这些酶量添加至蒸馏水、碳酸水、以及具有添加的碳酸钙的碳酸水的三种溶液中。
通过使三个底物样品在8小时时间段内水解来进行实验。在4、6和8小时下取样，其中最后一个样品还终止该实验。这些结果示出于表1中，其中第一行指示不同的载酶量并且第一列指示取样的小时。表1中的这些数字指示糖在水中的浓度，以克每升表示。当与基于在没有酶添加下进行的相同实验的对照组(未示出)相比，在这些实验中证实了酶水解。将温度保持恒定在40℃下经过该实验的持续时间。
表1：在不同载酶量下糖浓度对比时间(实例2)
*载酶量是基于克酶/克底物
实例3：有pH控制的过程演示。
如以上讨论的，pH控制是酶水解中的一个关键困难。该溶液的适当缓冲是重要的，因为在该注入过程中和之后缺乏物理混合使得难以通过化学添加调节pH。具体地，如果pH缓冲缺失，废纸的水解产生一种高度碱性的环境。这是由于在典型的纸张中碳酸钙(CaCO3)的广泛使用。碳酸钙既用作一种填充剂又保护纸免受由于酸化的降解。一种高固体含量的水/纸溶液将典型地具有大约8的pH而没有任何缓冲，并且这对于有效的酶活性太高。
在此组实验中，缓冲由三种替代的方法提供。在第一方法中，在水中不提供缓冲，完全依赖于该系统中的CO2气顶来缓冲该溶液，归因于CO2至该液体中的溶解。在该第二方法中，使用碳酸水。用二氧化碳预饱和的水将确保在施加该气顶时，更迅速地达到平衡条件。在第三方法中，除了用CO2预饱和水之外，添加饱和的碳酸钙。这种方法应该去除与可能量的碳酸钙相关的任何不确定性，该可能量的碳酸钙通过纸进入溶液中。因为该水已经处于用碳酸钙饱和的状态下，所以当该水还处于与1大气压分压下的气相CO2平衡时，任何添加与平衡pH水平是不相关的。
在第一种情况下，该缓冲仅通过在该水解过程在该注入容器的气顶中的CO2的分压提供。在第二种情况下，在该注入之前该水还已经通过碳酸化用CO2饱和。在第三种情况下，该碳酸水还已经用碳酸钙饱和。所添加的碳酸钙的量是这样的，以致确保在该注入的操作条件下饱和。
仅具有CO2气顶的最终溶液pH被测量是6.5。当水的碳酸化还与CO2气顶一起使用时，所测量的pH是5.7。当利用CO2气顶与碳酸化以及CaCO3添加时，所测量的pH是6.1。
缓冲溶液与在该气顶中高分压的CO2结合使用被证明对于控制pH在适合于通过纤维素酶的水解的范围内是有效的，如通过在完成该水溶液之后在完成该水解时所记录的最终pH证明的。在所有的情况下，该结果与无缓冲溶液的pH(它是约8)有利地比较。
实例4：有酶水解的过程演示。
在实例2的实验之后当水和固体被分离时，该液体回收率总计仅约50％的所添加的水，其中剩余物被该底物样品吸附。因为最有效的酶水解将在该纤维的紧密邻近处进行，并且该注入将大量的酶带入该纤维中腔内部，怀疑所溶解的糖可能保留在该纤维内并且当仅依靠于扩散时不具有从该液体的本体中被去除的途径。为了测试此概念，进行两组实验，两者都相当于实例2，使用水，除了酶之外没有添加，并且持续四小时的持续时间。
在完成该实验后，在一种情况下，水被去除并且然后如在实例2中完成该分析。在第二组实验中，将该残余的生物质制浆(机械精制)并且在该残余的纤维素材料已经完全被制浆之后，仅仅通过过滤分离水。以此方式，所溶解的糖浓度预期穿过该液体质量已经被均匀化，并且嵌入该纤维内的任何溶解的糖预期已经被释放。将温度保持恒定在40℃下经过该实验的持续时间。
这些结果示出于表2中。这个结果指示了存在相当大量的捕获在该纤维内的额外溶解的糖，与在该纤维内部的酶的深度穿透一致，如通过在此阐明的原理假定的。
表2：在不同载酶量下的糖浓度(4小时)(实例3)
*载酶量是基于克酶/克底物
实例5：有压力循环的过程演示。
在实例4中已经确定了缺少机械混合的情况下，在该纤维内部的通过酶水解产生的糖不能通过简单的脱水被有效地去除，压力循环被用于证明在该水解过程期间循环压力增强质量传递并且帮助将所溶解的糖从该中腔移动至该液体质量的本体中。在这个实验中，使用一种碳酸化且碳酸钙饱和的缓冲溶液。该载酶量是0.022g酶(原样)/克底物。将温度保持在40℃下并且在两个压力(58kPa和16kPa)下进行注入。在注入之后，恢复该压力以确保具有该CO2气顶的100kPa的总压力。
表3：没有及有压力循环的糖浓度(g/L)(实例5)
在没有压力循环的这些实验中，从该注入容器中取液体样品，而该气顶的压力没有任何变化，该压力通过在CO2管线107上的压力调节器108保持恒定。在具有压力循环的这些实验中，仅仅在取样之前，通过施加16kPa真空压力持续5分钟并且然后重建该常规的100kPa压力来循环该压力。在重建100kPa压力之后取样。表3示出了四种情况的在该液体中的糖量(g/L)：没有压力循环的58kPa注入、没有压力循环的16kPa注入、有压力循环的58kPa注入、以及有压力循环的16kPa注入。
表3示出了，在这种情况下，如果不进行压力循环，糖产生的速率独立于该注入压力，并且如果进行压力循环，用16kPa注入比58kPa注入产生更多的糖。这证实了本发明的压力循环导致比没有压力循环更高的糖生产速率，并且更低的注入压力导致比使用更高的注入压力更高的糖生产速率。在不受理论约束的情况下，这种结果与以下理论一致：压力循环导致该中腔中的液体被排出并且与该中腔外部的水混合。
实例6：具有不同酸浓度的过程演示。
具有变化量的硫酸的压力循环被用来证明在该水解过程期间循环压力帮助将所溶解的糖从该中腔移动至该液体质量的本体中。在这个实验中，在16kPa下将水与0.18、和180mM硫酸注入软木屑中。在50℃下注入水。在注入之后，恢复该压力至100kPa并且90℃水浴使该溶液温度升高至90℃。在不同的时间下，将压力降低至约70kPa持续5分钟使得水沸腾，然后使该压力迅速升高至100kPa并且取样。以下表4示出了对于三种不同的硫酸浓度，在该液体中的糖量(g/L)。
表4证实了当仅仅注入热水时该糖浓度缓慢增加。在2小时之后，在400mL水中，存在3g/L的糖、或者来自50g木屑中的总计1.2g的糖、或者约24mg糖/g木材。这实际上是在以下文章中描述的6mg/g云杉木材在2小时内提取的糖的多达约4倍：Azhar等人，“从纤维化的云杉木材中提取半纤维素(Extraction of hemicelluloses from fiberized sprucewood)”，碳水化合物聚合物(Carbohydrate polymers)117(2015)：19-24，其特此通过引用结合在此。这证实了具有仅仅90℃水(没有添加酸)的真空循环比从纤维化的云杉木材中更有效地去除O-乙酰基半乳葡甘露聚糖。
表4：对于不同酸浓度的糖浓度(g/L)(实例6)
在木屑中18mM硫酸溶液的pH是1.62并且180mM溶液的pH是0.77，约0.85的pH差。该18mM溶液花费27小时达到13g/L糖，而该180mM溶液花费大约1.75小时达到13g/L糖。当pH差是0.85时，这是约15倍长的比率，这与在Xu等人，“水溶性云杉O-乙酰基半乳葡甘露聚糖的酸水解的动力学(Kinetics of acid hydrolysis of water-soluble spruce O-acetylgalactoglucomannans)”，农业和食品化学杂志(Journal of agricultural and foodchemistry)567(2008)：2429-2435(其特此通过引用结合在此。)中的表1中描述的半乳葡甘露聚糖的溶解的动力学是可比较的。
实例7：有多个压力循环的过程演示。
将180mM硫酸注入软木片中，并且当不使用压力循环时产生的游离糖的量与使用压力循环产生的游离糖的量相比较。在这个实验中，使用两个注入容器：一种没有压力循环，并且另一个有压力循环。向每个注入容器中，在16kPa下将具有180mM硫酸的400mL水注入50g的12mm软木立方体中。在50℃下注入水。在注入之后，恢复该压力至100kPa并且将该操作温度升高至90℃。
从每个容器中每30分钟取出样品持续7小时。在这些容器之一中，恰在取样之前，将该压力降低至约70kPa持续5分钟使得水沸腾；然后将该压力迅速恢复至100kPa。同时从每个注入容器中取样。表5示出了在这两个注入容器中在该液体中的游离糖量(g/L)。
表5中示出的结果指示了当循环该压力时游离糖的更快的升高。通过迅速压力变化和诱导的气泡形成来周期混合该液体提供的改进的质量传递有助于既增加水解速率又将游离糖从该木材纤维中腔移动至该本体液体中。这证明了压力循环通过克服扩散限制显著地改进真空注入的性能，而不需要任何附加的机械混合。
表5：没有及有压力循环的糖浓度(g/L)(实例7)
时间(小时) 静态的 循环的
0.0 0 0
0.5 2 2
1.0 3 4
1.5 4 7
2.0 5 8
2.5 6 10
3.0 7 13
3.5 6 13
4.0 7 15
4.5 9 19
5.0 10 24
5.5 10 27
6.0 11 31
6.5 11 33
7.0 12 35
在本详细说明中，已经参考了多个实施例及附图，其中举例说明示出了本发明的具体示例性实施例。对这些实施例做了说明以使本领域的技术人员能够实践本发明，并且应当理解的是本领域技术人员可以对所披露的各种实施例做出修改。
当上述方法和步骤表明某些事件以某种顺序发生时，本领域普通技术人员将认识到可以修改某些步骤的顺序并且这些修改是根据本发明的变型进行的。附加地，在可能时可在并行过程中同时执行某些步骤，也可顺序执行某些步骤。
本说明书中所引用的所有出版物、专利、以及专利申请均以其全部内容通过引用结合在此，就如同每个出版物、专利、或专利申请已经在此明确地且单独地提出。
上述实施例、变体和附图应当提供本发明的实用性和通用性的指示。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，也可以使用未提供在此阐述的所有特征和优点的其他实施例。这样的修改和变化被视为落入由权利要求书限定的本发明范围内。在本披露内容与词典或其他参考文献之间的定义中有冲突的情况下，将以本披露内容为准。

Claims (27)

1.一种用于从富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供一种富含碳水化合物的底物和一种含有水解催化剂的水溶液，并且将所述富含碳水化合物的底物上方的气体压力保持在抽空压力下并且持续一个抽空时间以在注入温度下将所述水解催化剂注入所述富含碳水化合物的底物中，从而产生一种反应混合物；
(b)使所述反应混合物暴露于一个高于所述抽空压力的气相反应压力；
(c)保持所述反应混合物在反应温度下持续一个反应时间以在所述富含碳水化合物的底物的中腔空间内产生所述糖单体和/或聚合物；
(d)使所述反应混合物暴露于一个低于所述气相反应压力的气相排出压力，以将所述糖单体和/或聚合物从所述中腔空间中泵出并且进入所述水溶液中；
(e)保持所述反应混合物在排出温度下持续一个排出时间；
(f)重复步骤(b)至(e)持续至少两个压力循环，以通过一个泵送机制从所述中腔空间去除所述糖单体和/或聚合物；并且
(g)从所述水溶液回收所述糖单体和/或聚合物；
其中所述方法不包括所述富含碳水化合物的底物的蒸汽爆破或氨纤维膨胀。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述富含碳水化合物的底物选自下组，该组由以下各项组成：天然存在的木质纤维素生物质、经处理的木质纤维素生物质、纸基产品、富含碳水化合物的工业废物、以及其组合。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述纸基产品是纸浆或纸张。
4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述富含碳水化合物的底物包括选自下组的所述天然存在的木质纤维素生物质，该组由以下各项组成：尺寸减少的软木、甘蔗渣、小麦秸秆、玉米秸秆、柳枝稷、芒草、以及其组合。
5.如权利要求2或3所述的方法，其中所述富含碳水化合物的底物包括选自下组的富含碳水化合物的工业废物，该组由以下各项组成：食品废物、城市固体废物的组分、以及其组合。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述糖单体和/或聚合物包括呈单体、低聚物、或聚合物形式的戊糖和/或己糖。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述糖单体和/或聚合物包括木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖、O-乙酰基半乳葡甘露聚糖、和纳米纤维素晶体中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述水解催化剂包含一种有机酸、无机酸、过氧化氢、或其组合。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述水解催化剂包含硫酸，该硫酸的量产生具有10mM至200mM的硫酸浓度的所述水溶液。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述水解催化剂包含一种或多种芬顿或类芬顿试剂，这些试剂包括过氧化氢和一种或多种过渡金属，该过氧化氢和一种或多种过渡金属形成20至100的所述过氧化氢与所述过渡金属的摩尔比。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述水解催化剂包含一种或多种酶，这些酶各自具有纤维素分解活性和/或半纤维素分解活性。
12.如权利要求1所述的方法，其中步骤(a)中的所述水溶液是一种均匀混合物，所述方法进一步包括使用在0.5W/kg至5W/kg范围内的湍流能量使所述水解催化剂与工艺用水混合以产生所述均匀混合物。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述反应温度是40℃至95℃和/或所述反应时间是15分钟至8小时。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述排出时间是1秒至60分钟。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述排出压力是从100％至200％的所述反应温度下的水平衡压力。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述压力循环的数目是从3至200。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述注入温度小于或等于水在所述抽空压力下的沸点。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述注入温度是从40℃至90℃。
19.如权利要求1所述的方法，其中所述抽空压力是从105％至200％的所述注入温度下的水平衡压力。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述抽空时间是1分钟至2小时。
21.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括通过调节气相组成高于所述水溶液或者与所述水溶液平衡来控制所述反应混合物的pH。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述水解催化剂包含一种有机酸、无机酸、或其组合，并且其中所述pH被控制为2或更小。
23.如权利要求21所述的方法，其中所述水解催化剂包含一种或多种芬顿或类芬顿试剂以及任选地一种或多种无机酸，并且其中所述pH被控制在1至6之间。
24.如权利要求21所述的方法，其中所述水解催化剂包含一种或多种酶，这些酶各自具有纤维素分解活性和/或半纤维素分解活性，并且其中所述pH被控制在4至7之间。
25.一种从具有中腔空间的富含碳水化合物的底物生产糖单体和/或聚合物的方法，所述方法包括在一种含有水解催化剂的水溶液存在下水解所述富含碳水化合物的底物，并且在反应压力与排出压力之间循环气体压力持续至少三个压力循环，其中在所述反应压力下，所述糖单体和/或聚合物在所述中腔空间内产生，并且其中在所述排出压力下，所述糖单体和/或聚合物从所述中腔空间中泵出并且进入所述水溶液中，其中所述方法不包括所述富含碳水化合物的底物的蒸汽爆破或氨纤维膨胀。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述糖单体和/或聚合物从所述中腔空间输送离开的质量传递速率高于所述糖单体和/或聚合物从所述中腔空间扩散离开的扩散速率。
27.如权利要求25所述的方法，其中产生所述糖单体和/或聚合物的反应速率高于没有循环所述气体压力的步骤的其他方面相同的方法。
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