CN104254613A - 木质纤维素水解产物脱毒的方法 - Google Patents

木质纤维素水解产物脱毒的方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及对从木质纤维素生物质获得的水解产物进行脱毒的方法和从所述脱毒的水解产物生产乙醇的方法。本发明的方法提供了脱毒的水解产物，其中相对于所述起始水解产物，对发酵微生物有害的化合物的量显著降低，并且其中总可发酵性糖损失量最小化。

Description

木质纤维素水解产物脱毒的方法
背景技术
许多工业产品通过在培养物中生长的微生物来生产。微生物生长可以由木质纤维素生物质所释放的可溶性糖分子来支持。木质纤维素生物质主要由纤维素(通过β-1,4-糖苷键相连的葡萄糖的聚合物)、半纤维素(由通过各种不同的β连键和α连键相连的五碳(C5)糖和六碳(C6)糖构成的多糖)和木质素(由通过醚键或碳-碳键相连的苯丙烷单元构成的复杂聚合物)构成。在某些情况下，对木质纤维素生物质进行稀酸水解，在此期间半纤维素被水解成单体糖(液体流)，并且纤维素的晶体结构被破坏，便于将来的酶消化(固体纤维)。从纤维素和木质素固体分离出含有C5糖和C6糖的液体、即所谓的水解产物，并且其可以被发酵成各种产品，例如乙醇。然而，除了糖之外，水解产物还含有脂族酸、酯(乙酸酯)、酚物质(从木质素水解获得的不同化合物)和糖脱水的产物，包括呋喃醛类糠醛和5-羟甲基糠醛(5-HMF)。大多数这些化合物对微生物具有负面影响并且可以抑制发酵。在发酵之前将水解产物脱毒，是为了避免由水解产物中存在的有毒化合物引起的抑制而可以采取的一种措施。
已经试验了各种脱毒方法，其中超施碱石灰(alkaline overliming)是高效和高成本效益的。在超施石灰过程中，通常在高温下，通过添加适量氢氧化钙(石灰)，将水解产物的pH从约2的pH暂时提高到9至10之间的pH。在一段时间、通常为约30分钟后，通过添加酸将水解产物溶液的pH降低到适合于发酵微生物的pH。在所述脱毒过程中，呋喃醛被降解，并且酸(无机酸和有机酸)被中和。
超施石灰已被了解很长时间(Leonard和Hajny，1945,Ind.Eng.Chem.,37(4):390–395)，并且仍被当作是有效的脱毒方法。然而，所述方法的显著缺点是在脱毒期间发生可发酵性糖的相当大量的损失。参见例如Larsson等，1999,Appl.Biochem.Biotechnol.77-79:91-103。可发酵性糖的损失导致可发酵产物例如乙醇的总得率较低。此外，脱毒期间不溶性硫酸钙(石膏)的形成也是有问题的。参见例如Martinez等，2001,Biotechnol.Prog.17(2):287–293。石膏形成引起结垢和管线堵塞，这显著抬高了维护成本。为了克服与氢氧化钙相关的问题，已经尝试了将其他碱用于水解产物脱毒目的，并取得了不同程度的成功。参见例如Alriksson等，2005,Appl.Biochem.Biotechnol.121-124:911-922。
因此，对于减少从木质纤维素生物质获得的水解产物中的发酵抑制剂和对所述水解产物进行脱毒的新的改进的方法，存在着需求。具体来说，对于经济上可行并且提供能够以高得率生产乙醇的脱毒的水解产物的脱毒方法，存在着需求。
发明概述
本公开源自于下述发现，即多步骤脱毒方法可以显著减少从木质纤维素生物质获得的水解产物(在本文中有时被称为“木质纤维素水解产物”)中对发酵微生物有害的化合物的量，并且所述脱毒方法产生最小的可发酵性糖损失。当在本文中使用时，术语“脱毒”是指从起始木质纤维素水解产物除去一种或多种对发酵微生物有害的化合物(在本文中被称为“毒素”)或使其失活，由此形成脱毒的水解产物的过程。当在本文中使用时，短语“脱毒的水解产物”是指与在对水解产物进行本公开的多步骤脱毒方法之前的水解产物(在本文中被称为“起始水解产物”)中的毒素水平相比，含有较低毒素水平的水解产物。这样的毒素包括但不限于呋喃醛、脂族酸、酯和酚物质。
因此，总的来说，本公开提供了降低水解产物对发酵生物体的毒性(即脱毒)的方法。更具体来说，本公开涉及在不同时间添加至少两种不同的碱或碱的混合物，以实现水解产物脱毒的方法。在本公开的某些情况下，脱毒包括两步方法。第一步包括将水解产物的起始溶液(即起始水解产物溶液)与其量足以将所述溶液的pH提高到足以中和所述溶液中存在的大部分酸(例如脂肪酸)的值的第一种碱或第一种碱的混合物进行混合，并且第二步包括将所述水解产物溶液与其量足以将所述水解产物溶液的pH提高到足够的值的第二种碱或第二种碱的混合物进行混合，所述混合历时足以移除所述溶液中显著量的毒素(例如呋喃醛)的时间，由此产生脱毒的水解产物溶液。
所述水解产物脱毒方法的第一步(即将所述水解产物与所述第一种碱或第一种碱的混合物进行混合)可以在3至9范围内的pH，例如3、4、5、6、7、8或9的pH下进行。在特定实施方式中，所述pH在以任两个上述实施方式为边界的范围之内，例如3至4、3至5、4至6等范围内的pH。
所述水解产物脱毒方法的第二步(即将所述水解产物与第二种碱或第二种碱的混合物进行混合)可以在7至10范围内的pH，例如7、8、9或10的pH下进行。在特定实施方式中，所述pH在以任两个上述实施方式为边界的范围之内，例如7至9、8至9、8至10等范围内的pH。
生物质优选地为木质纤维质的，并且可以包括但不限于种子、谷粒、块茎、植物废料或食品加工或工业加工的副产物(例如茎秆)、玉米(包括玉米芯、秸秆等)、禾本科植物(包括例如印度草，例如黄假高粱(Sorghastrum nutans)，或柳枝稷例如稷属物种(Panicumspecies)如柳枝稷(Panicum virgatum))、木材(包括例如木片、加工废料)、纸张、纸浆和再生纸(包括例如报纸、打印纸等)。其他生物质材料包括但不限于马铃薯、大豆(例如油菜籽)、大麦、黑麦、燕麦(oat spelt)、小麦、甜菜和甘蔗渣。生物质的其他来源公开在第4.1节中，并且可用于本发明的方法中。从木质纤维素生物质获得的木质纤维素水解产物导致产生糖、脂族酸、酚物质和糖脱水的产物(例如糠醛和5-羟甲基糠醛(5-HMF))。
在脱毒之前，所述水解产物溶液中水解产物的个体化合物的浓度部分取决于获得所述水解产物的生物质和用于水解所述生物质的方法。在某些实施方式中，所述起始水解产物溶液包含(a)浓度在30g/L至160g/L、40g/L至95g/L或50g/L至70g/L范围内的总可发酵性糖；(b)浓度在0.5g/L至10g/L、2.5g/L至4g/L或1.5g/L至5g/L范围内的糠醛；(c)浓度在0.1g/L至5g/L、0.5g/L至2.5g/L或1g/L至2g/L范围内的5-HMF；(d)浓度在2g/L至17g/L或11g/L至16g/L范围内的乙酸；(e)浓度在0g/L至12g/L或4g/L至10g/L范围内的乳酸；(f)浓度在0g/L至2.5g/L范围内的其他脂族酸(例如琥珀酸、甲酸、丁酸和乙酰丙酸)；和/或(g)浓度在0g/L至10g/L、0.5g/L至5g/L或1g/L至3g/L范围内的酚物质。
在脱毒之前，可以将所述起始水解产物溶液浓缩。例如，在生物质水解后，可以将水解产物溶液浓缩1.2倍、1.5倍、2倍、3倍或5倍。在特定实施方式中，将所述起始水解产物浓缩以任两个上述实施方式为边界的范围，例如浓缩1倍至3倍、1.5倍至3倍、3倍至5倍等的范围。
有利情况下，向所述水解产物溶液添加的所述第一种碱包含含镁碱(例如氢氧化镁、碳酸镁或氧化镁)，其可以中和所述水解产物溶液中存在的任何酸，并在一定程度上与所述水解产物溶液中的其他毒素反应。在特定实施方式中，向所述水解产物溶液添加的所述第一种碱是氢氧化镁。
在本公开的某些情况下，向所述水解产物溶液添加的所述第二种碱包括氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或其混合物。在特定实施方式中，向所述水解产物溶液添加的所述第二种碱是氢氧化铵。
在某些实施方式中，所述脱毒方法的每个步骤可以在相同或基本上相似的温度下进行。在这些实施方式中，所述水解产物溶液的脱毒可以在25℃或更高和90℃或更低的温度下进行。所述脱毒方法可以在例如30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃或90℃下进行。在特定实施方式中，所述脱毒方法可以在以任两个上述温度为边界的范围内的温度下，例如在40℃至60℃、45℃至55℃、45℃至50℃等范围内的温度下进行。
在其他实施方式中，所述脱毒方法的每个步骤可以在不同温度下进行。例如，在添加所述第一种碱后所述水解产物溶液的温度，可以不同于在添加所述第二种碱和/或第三种碱等后所述水解产物溶液的温度。在涉及两种碱(或两种碱的混合物)的添加的实施方式中，在所述脱毒方法的第一步(即混合所述水解产物与所述第一种碱)期间的温度可以在30℃至90℃之间的范围内，并且更通常在40℃至70℃之间的范围内。在这些实施方式中，在所述脱毒方法的第二步(即混合所述水解产物与所述第二种碱)期间的温度可以在30℃至80℃之间的范围内，并且更通常在40℃至60℃之间的范围内。
所述脱毒过程可以作为分批过程、作为连续过程或作为半连续过程来进行。例如，脱毒过程可以在分批反应器、连续搅拌釜式反应器(CSTR)或活塞流反应器(PFR)中进行。在某些实施方式中，所述脱毒的每个步骤可以在同一分批反应器中进行。在这些实施方式中，可以在所述起始水解产物溶液中的酸已被所述第一种碱或第一种碱的混合物充分中和之后，向所述分批反应器添加所述第二种碱或第二种碱的混合物。在其他实施方式中，脱毒过程的每个步骤可以在不同反应器中进行。例如，在涉及两种碱(或两种碱的混合物)的添加的实施方式中，所述脱毒方法的第一步(即混合所述水解产物与所述第一种碱)可以在CSTR中进行，并且所述第二步(即混合所述水解产物与所述第二种碱)可以在PFR中进行。在其他实施方式中，所述脱毒方法的第一步可以在PFR中进行，并且所述第二步可以在CSTR中进行。在其他实施方式中，两个步骤可以在PFR中进行。在其他实施方式中，两个步骤可以在CSTR中进行。
在某些实施方式中，本公开提供了用于连续减少木质纤维素水解产物中呋喃醛的量的方法，所述方法包括下列步骤：将水解产物溶液流入第一反应器或第一反应器系列中，所述溶液包含可发酵性糖、呋喃醛、酚物质和脂族酸的混合物，将第一种碱流入所述第一反应器或第一反应器系列中，将所述水解产物溶液与所述第一种碱在所述第一反应器或第一反应器系列中反应历时足以中和所述水解产物溶液中的酸的时段，将所述水解产物溶液流入所述第二反应器或第二反应器系列中，将第二种碱流入所述第二反应器或第二反应器系列中，将所述水解产物溶液与所述第二种碱在所述第二反应器或第二反应器系列中反应历时足以减少所述水解产物溶液中的呋喃醛的量的时段，由此产生脱毒的水解产物溶液，以及将所述脱毒的水解产物溶液流出所述第二反应器或第二反应器系列。
本公开的方法提供了脱毒的水解产物，其具有存在于所述起始水解产物中的至少70％、至少80％、至少85％、至少90％、至少92％、至少93％、至少95％或至少99％的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过70％、不超过60％、不超过50％、不超过40％、不超过30％、不超过20％或不超过10％的呋喃醛。在特定实施方式中，本公开的脱毒方法提供了脱毒的水解产物，其具有(a)存在于所述起始水解产物中的至少90％的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过50％的呋喃醛；(b)存在于所述起始水解产物中的至少90％的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过40％的呋喃醛；(c)存在于所述起始水解产物中的至少90％的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过30％的呋喃醛；(d)存在于所述起始水解产物中的至少90％的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过20％的呋喃醛；(e)存在于所述起始水解产物中的至少80％的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过50％的呋喃醛；(f)存在于所述起始水解产物中的至少80％的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过40％的呋喃醛；(g)存在于所述起始水解产物中的至少80％的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过30％的呋喃醛；或(h)存在于所述起始水解产物中的至少80％的总可发酵性糖和存在于所述起始水解产物中的不超过20％的呋喃醛。
本公开的脱毒的水解产物可以更高效地被发酵微生物发酵，以生产发酵产物例如乙醇。因此，本公开的方法还包括在按照本公开生产的脱毒的水解产物存在下，在产生发酵产物的条件下培养微生物。可以使用各种发酵微生物(例如产乙醇菌)来生产乙醇，例如在第4.5节中所描述的。
附图说明
图1：本公开的示例性连续过程的示意流程图。
图2：描述了使用氢氧化镁和随后的氢氧化铵的两步脱毒方法，在不同的初始pH靶(pH 8.5和9.0)下进行的脱毒反应的不同时间点处，木糖和糠醛消除的量的图。
图3：示出了使用串联CSTR构造的双碱脱毒过程的示意图。每个端口可用于递送碱或碱浆液，每个容器可以独立地保持温度。
详细描述
本公开涉及对从生物质获得的水解产物进行脱毒的方法以及从所述脱毒的水解产物生产发酵产物例如乙醇的方法。可用于本发明的方法的生物质的类型包括但不限于在第4.1节中所描述的。水解生物质的方法描述在第4.2节中。水解产物在脱毒之前的典型组成描述在第4.3节中。使用多种碱对水解产物进行脱毒的方法描述在第4.4节中。发酵脱毒的水解产物以生产发酵产物的方法描述在第4.5节中，并且回收发酵产物的方法描述在第4.6节中。
生物质(4.1节)
当在本文中使用时，术语“生物质”是指包含纤维素(任选地还包含半纤维素和/或木质素)的任何组合物。
可以按照本公开水解或脱毒的相关类型的生物质可以包括来自于下列物质的生物质：农作物，例如含有谷粒的农作物；玉米秸秆，禾本科植物，甘蔗渣，来自于例如水稻、小麦、黑麦、燕麦、大麦、油菜、高粱的秆；块茎，例如甜菜和马铃薯。
生物质优选地是木质纤维素的。木质纤维素生物质适合地来自于禾本科。正确名称是有花植物的百合纲(Liliopsida)(单子叶植物纲)中被称为禾本科(Poaceae)或牧草科(Gramineae)的科。这一科的植物通常被称为禾本科植物，并包括竹。禾本科植物存在约600个属和约9,000-10,000或更多的种(《Kew世界禾本科植物物种索引》(KewIndex of World Grass Species))。
禾本科(Poaceae)包括在全世界生长的主食用粮和禾谷类作物、草坪和饲料用草以及竹。
禾本科植物的成功部分在于它们的形态和生长过程，部分在于它们的生理学多样性。大多数禾本科植物分成两个生理学组，使用C3和C4光合途径进行碳固定。C4禾本科植物具有与特化的叶解剖学相关联的光合途径，所述叶解剖学使它们特别适应于炎热气候和低二氧化碳的大气。C3禾本科植物被称为“冷季禾本科植物”，而C4植物被称为“暖季禾本科植物”。
禾本科植物可以是一年生或多年生的。一年生冷季禾本科植物的实例是小麦、黑麦、一年生蓝草(一年生草地早熟禾，Poa annua)和燕麦。多年生冷季禾本科植物的实例是野茅(鸭茅，Dactylis glomerata)、羊茅(Festuca spp.)、肯塔基蓝草和多年生黑麦草(Lolium perenne)。一年生暖季禾本科植物的实例是玉米、苏丹草和珍珠稷。多年生暖季禾本科植物的实例是大须芒草、假高粱、狗牙根和柳枝稷。
禾本科植物的一种分类辨别出12个亚科：它们是1)anomochlooideae，一个阔叶禾本植物的小谱系，其包括两个属(Anomochloa，Streptochaeta)；2)Pharoideae(aka Poaceae)，包含三个属、包括Pharus和Leptaspis的禾本科植物的小谱系；3)Puelioideae，包括非洲Puelia属的小谱系；4)早熟禾亚科(Pooideae)，其包括小麦、大麦、燕麦、雀麦草(Bronnus)和拂子茅(Calamagrostis)；5)竹亚科(Bambusoideae)，其包括竹子；6)稻亚科(Ehrhartoideae)，其包括水稻和野生稻；7)芦竹亚科(Arundinoideae)，其包括芦竹和芦苇；8)假淡竹叶亚科(Centothecoideae)，由11个属组成的小亚科，有时被包含在黍亚科(Panicoideae)中；9)画眉草亚科(Chloridoideae)，其包括画眉草(Eragrostis，约350个种，包括埃塞俄比亚画眉草)、鼠尾粟(Sporobolus，约160个种)、龙爪稷(Eleusine coracana(L.)Gaertn.)和乱子草(Muhlenbergia，约175个种)；10)黍亚科(Panicoideae)，包括黍、玉米、高粱、甘蔗、大多数粟、fonio和须芒草；11)Micrairoideae；12)Danthoniodieae，包括蒲苇；其中早熟禾属(Poa)是包含原产于两个半球的温带地区的约500个禾本科植物物种的属。
为其可食用的种子而种植的农业禾本科植物被称为谷类。三种常见的谷类是水稻、小麦和玉米。在所有作物中，70％是禾本科植物。
因此，优选的生物质选自能源作物。在另一种优选实施方式中，能源作物是禾本科植物。优选的禾本科植物包括象草(Napier Grass)或乌干达草(Uganda Grass)，例如象草(Pennisetum purpureum)；或芒草(Miscanthus)例如奇岗(Miscanthus giganteus)和芒属(Miscanthus)的其他品种，或印度草(Indian grass)例如黄假高粱(Sorghastrum nutans)；或柳枝稷例如柳枝稷(Panicum virgatum)或稷属(Panicum)的其他品种，芦竹(arundo donax)，能源甘蔗(saccharumspp.)，木材(包括例如木片、加工废料)、纸张、纸浆和再生纸(包括例如报纸、打印纸等)。在某些实施方式中，生物质是甘蔗，其是指甘蔗属(Saccharum)的高的多年生禾本科植物的任何物种。
其他类型的生物质包括种子、谷粒、块茎(例如马铃薯和甜菜)、植物废料或食品加工或工业加工的副产物(例如秆)、玉米和玉米副产物(包括玉米皮、玉米芯、玉米纤维、玉米秸秆等)、木材和木材副产物(包括例如加工废料、落叶木材、针叶木材、木片(例如落叶或针叶木片)、锯末(例如落叶或针叶木锯末))、纸张和纸张副产物(例如木浆、废材和再生纸，包括例如报纸、打印纸等)、大豆(例如油菜籽)、大麦、黑麦、燕麦、小麦、甜菜、苏丹高粱、买罗高粱、碾碎的干小麦、水稻、甘蔗渣、林业残余物、农业残余物、藜麦、麦草、高粱秆、柑橘废料、城市绿色废物或残余物、食品制造工业废料或残余物、谷物制造废料或残余物、干草、禾秆、稻草、谷粒壳、用过的酒糟、稻壳、柳木、杉木、杨木、桉木、埃塞俄比亚芥(Brassicacarinata)残余物、海棠蓼(Antigonum leptopus)、枫香树、胡枝子(Sericealespedeza)、乌柏、***、油菜籽、高粱(Sorghum bicolor)、大豆和大豆产品(大豆叶、大豆茎、大豆荚和大豆残余物)、向日葵和向日葵产品(例如叶、向日葵茎、无籽向日葵头、葵花籽壳和葵花籽残余物)、芦竹、坚果壳、落叶木叶子、棉纤维、粪肥、沿海百慕大草、三叶草、约翰逊草、亚麻、禾秆(例如大麦秆、荞麦秆、燕麦秆、黍秆、黑麦秆、苋菜秆、斯佩耳特小麦秆)、苋菜和苋菜产品(例如苋菜茎、苋菜叶和苋菜残余物)、苜蓿和竹子。
生物质的其他来源包括硬木和软木。适合的软木和硬木树的实例包括但不限于下列：松树，例如火炬松、短叶松、加勒比松、美国黑松、美国短叶松、沼泽松、洪都拉斯松、马尾松、苏门答腊松、山白松、卵果松、长叶松、帕图拉松、海岸松、西黄松、辐射松、红松、北美白松、欧洲赤松、南洋杉树；杉树，例如花旗松；以及铁杉树，加上任何上述树的杂交种。其他实例包括但不限于下列：桉树，例如邓恩桉、蓝桉、玫瑰桉、悉尼蓝桉、帝汶白桉和尾巨桉(E.urograndis)杂交种；杨树，例如美洲黑杨、大齿杨、颤杨和黑杨；以及其他硬木树例如赤杨、枫香、马褂木、阔叶梣木、绿白蜡木和柳树，加上任何上述树的杂交种。
生物质的水解(4.2节)
任何水解方法可用于制备木质纤维素水解产物，包括酸水解和碱水解。酸水解是便宜和快速的方法，并且可以适合地使用。浓酸水解优选地在20℃至100℃的温度下进行，并且酸强度在10％至45％的范围内(例如10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％、15％、15.5％、16％、17％、17.5％、18％、18.5％、19％、19.5％、20％、20.5％、21％、21.5％、22％、22.5％、23％、23.5％、24％、24.5％、25％、25.5％、26％、26.5％、27％、27.5％、28％、28.5％、29％、29.5％、30％、30.5％、31％、31.5％、32％、32.5％、33％、33.5％、34％、34.5％、35％、35.5％、36％、37％、37.5％、38％、38.5％、39％、39.5％、40％、41％、41.5％、42％、42.5％、43％、43.5％、44％、44.5％、45％或以任两个上述值为边界的任何范围)。稀酸水解是更简单的方法，但是在更高温度(100℃至230℃)和压力下最优。优选地使用不同种类的酸，其中浓度在0.001％至10％的范围内(例如0.001％、0.01％、0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％、2％、3％、4％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％或10％或以任两个上述值为边界的任何范围)。在水解步骤中可以使用适合的酸，包括硝酸、亚硫酸、亚硝酸、磷酸、乙酸、盐酸和硫酸。优选情况下使用硫酸。
取决于酸的浓度、执行酸水解步骤的温度和压力，可能需要耐腐蚀设备和/或耐压设备。
水解可以进行2分钟至10小时(例如2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、26、27、28、29或30分钟，或0.5、0.75、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5或10小时，或以任两个上述值为边界的范围)、优选地1分钟至2小时、2分钟至15分钟、2分钟至2小时、15分钟至2小时、30分钟至2小时、10分钟至1.5小时或1小时至5小时的时段。
作为酸处理的可替选方案(例如在不存在酸水解的情况下)或除了酸水解之外(例如在其之前或之后)，水解还可以包括热或压力处理或热和压力的组合，例如用蒸汽处理约0.5小时至约10小时(例如0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5或10小时，或以任两个上述值为边界的范围)。
酸水解方法的变化形式在本领域中是已知的，并且可以被本公开的方法所涵盖。例如，可以通过使生物质材料经历两步过程来进行水解。第一(化学)水解步骤在水性介质中、在所选温度和压力下进行，以主要实现半纤维素的解聚而不实现纤维素向葡萄糖的显著解聚。这一步骤产生浆液，其中液体水性相含有从半纤维素的解聚得到的溶解的单糖和可溶性和不溶性的半纤维素寡聚物，并且固体相含有纤维素和木质素。参见例如美国专利号5,536,325。在优选实施方式中，利用硫酸来执行第一水解步骤。在从第一阶段的水解过程分离糖之后，在更严苛的条件下运行第二水解步骤，以水解更具有抗性的纤维素级分。
在另一种实施方式中，水解方法要求使生物质材料在反应器中经历包含强酸和金属盐的稀溶液的催化剂。生物质材料可以是例如原材料或干燥的材料。这种类型的水解可以降低纤维素水解的活化能或温度，最终允许可发酵性糖的较高得率。参见例如美国专利号6,660,506、6,423,145。
另一种示例性方法包括下列步骤：通过一个或多个使用约0.4％至约2％的酸的稀酸水解阶段来加工生物质材料；然后用碱去木质素作用处理酸水解的材料的未反应的固体木质纤维素组分。参见例如美国专利号6,409,841。另一种示例性水解方法包括在预水解反应器中对生物质(例如木质纤维素材料)进行预水解；向固体木质纤维素材料添加酸性液体以制造混合物；将所述混合物加热至反应温度；将反应温度维持足以将木质纤维素材料分级成含有来自于所述木质纤维素材料的至少约20％的木质素的增溶的部分，以及含有纤维素的固体级分；将所述增溶的部分与所述固体级分分离开，并在等于或接近反应温度下除去增溶的部分；以及回收所述增溶的部分。
水解还可以包括将生物质材料与化学计算量的非常低浓度的氢氧化钠和氢氧化铵相接触。参见Teixeira等，1999,Appl.Biochem.andBiotech.77-79:19-34。水解还可以包括将木质纤维素与化学品(例如碱，例如碳酸钠或氢氧化钾)在约9至约14的pH和适度的温度、压力和pH下相接触。参见PCT公开WO 2004/081185。
也可以使用氨水解。这样的水解方法包括使生物质材料在高固体条件下经历低的氨浓度。参见例如美国专利公布号20070031918和PCT公布WO 2006/110901。
在水解后，水解产物包含酸和碱、部分降解的生物质和可发酵性糖的混合物。在进一步加工之前，可以通过施加真空从混合物中除去酸或碱。也可以在脱毒之前将混合物中和。
在脱毒之前，可以在被称为固/液分离的过程中，将包含增溶的糖的水性级分与混合物中残留的不溶性颗粒物分离开。将可溶性级分与不溶性级分分离开的方法包括但不限于离心(连续、半连续和分批)、倾析和过滤。可以任选地将水解的生物质固体用水性溶剂(例如水)清洗，以除去吸附的糖。
在脱毒之前，可以对固体进行进一步处理，例如脱水。脱水可以使用螺旋压力机适合地实现。螺旋压力机是使用大的螺杆将含有固体的料流沿着水平筛管推动的机器。固体的移动可以受到管末端处的加重板的阻碍。该板对固体塞的压力迫使液体流出固体并通过筛管侧面中的孔，然后沿着排液管流出。然后螺杆将剩余的固体推过所述板，在那里它们跌落在下方的收集垫或传送带上。
水解产物特征(4.3节)
在生物质水解和固/液分离步骤之后，对木质纤维素水解产物进行脱毒。在脱毒之前的木质纤维素水解产物溶液(即起始木质纤维素水解产物溶液)中包含的个体化合物、包括可发酵性糖、呋喃醛、脂族酸和酚物质的相对量和浓度，取决于具体的木质纤维素生物质和获得水解产物的水解方法。
在某些实施方式中，起始水解产物溶液包含(a)浓度在30g/L至160g/L、40g/L至95g/L或50g/L至70g/L范围内的总可发酵性糖；(b)浓度在0.5g/L至10g/L、2.5g/L至4g/L或1.5g/L至5g/L范围内的糠醛；(c)浓度在0.1g/L至5g/L、0.5g/L至2.5g/L或1g/L至2g/L范围内的5-HMF；(d)浓度在2g/L至17g/L或11g/L至16g/L范围内的乙酸；(e)浓度在1g/L至12g/L或4g/L至10g/L范围内的乳酸；(f)浓度在0g/L至2.5g/L范围内的其他脂族酸(例如琥珀酸、甲酸、丁酸和乙酰丙酸)；和/或(g)浓度在0g/L至10g/L、0.5g/L至5g/L或1g/L至3g/L范围内的酚物质。在这些实施方式中，起始水解产物溶液在本文中被称为“1x”。
在其他实施方式中，起始水解产物可以比1x更浓。例如，起始水解产物溶液可以比1x浓1.5倍、2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍或10倍。在这些实施方式中，起始水解产物将分别被称为1.5x、2x、3x、4x、5x、6x、7x、8x、9x和10x。
在其他实施方式中，起始水解产物浓度可以比1x更低。例如，起始水解产物溶液的浓度可以为1x的0.1倍、0.2倍、0.3倍、0.4倍、0.5倍、0.6倍、0.7倍、0.8倍或0.9倍。在这些实施方式中，起始水解产物将分别被称为0.1x、0.2x、0.3x、0.4x、0.5x、0.6x、0.7x、0.8x和0.9。
在脱毒过程之前，可以调整可发酵性糖和毒素的浓度。在连续过程的情形中，水解产物溶液的浓缩可能特别有利(参见图1和第4.4节)。例如，在稀酸水解和固/液分离后离开水解器的水解产物溶液，可以在添加用于脱毒的第一种碱之前进行浓缩。在某些实施方式中，在脱毒之前可以将水解产物溶液浓缩1.2倍、1.5倍、2倍、3倍或5倍。在特定实施方式中，可以将起始水解产物在以任两个上述实施方式为边界的范围内浓缩，例如浓缩1倍至3倍、1.5倍至3倍、3倍至5倍等。
在脱毒之前浓缩水解产物溶液，可以导致对呋喃醛消除的选择性增加到超过糖降解。不受理论限制，据信对于糖降解来说反应速率是一阶的，对于呋喃醛消除来说反应速率是二阶的。因此，浓缩水解产物溶液导致呋喃醛消除速率相对于可发酵性糖降解速率增加。
水解产物溶液可以在减压下和/或通过加热来浓缩。在一种实施方式中，水解产物溶液在多级蒸发装置中浓缩(参见图1和实施例1)。水解产物的浓缩液可以通过其他技术例如膜过滤、碳处理和离子交换树脂来进行。蒸发导致糖浓度增加，并且可以导致一定量糠醛和乙酸盐的移除。
水解产物的脱毒(4.4节)
一般来说，本公开的脱毒方法需要使木质纤维素水解产物经历多步过程，其中在脱毒过程中的不同时间添加至少两种不同的碱或两种不同的碱的混合物。脱毒方法对于呋喃醛的消除来说是高选择性的。当在本文中使用时，短语“对呋喃醛的消除高选择性”是指观察到呋喃醛被消除(反应)的速率高于可发酵性糖从水解产物中的消除速率。结果，按照本公开生产的脱毒的水解产物相对于起始水解产物具有较高百分率的可发酵性糖和较低百分率的呋喃醛。脱毒的木质纤维素水解产物然后可以被适合的发酵微生物(例如产乙醇菌)发酵，以生产发酵产物(例如乙醇)。
脱毒方法一般包括将起始木质纤维素水解产物溶液与第一种碱或第一种碱的混合物，在引起水解产物溶液中存在的大部分酸(例如脂族酸和用于水解的酸的平衡离子)中和的条件下混合一段时间，然后将所述水解产物溶液与显著减少水解产物溶液中的毒素(例如呋喃醛)的量的第二种碱或第二种碱的混合物混合。在每个步骤中使用的碱可以包括但不限于氢氧化镁、碳酸镁、氧化镁、氢氧化钙、氢氧化铵和氢氧化钠。在某些实施方式中，第一种碱或第一种碱的混合物与第二种碱或第二种碱的混合物相同。在其他实施方式中，第一种碱或第一种碱的混合物与第二种碱或第二种碱的混合物不同。
适合于执行脱毒过程的每个步骤的时间量取决于多种因素，包括水解产物的化学组成、水解产物溶液的浓度、反应温度、水解产物溶液的pH、在每个步骤中添加的碱的总量、搅拌速率和所使用的反应器的类型。在脱毒包括两个步骤的实施方式中，脱毒的第一步可以进行1分钟至15分钟范围内的时段，脱毒的第二步可以进行30分钟至20小时范围内的时段。总的脱毒过程通常进行30分钟至20小时范围内的时段，更通常为1小时至10小时之间。例如，总脱毒时间可以为1小时、2小时、3小时、4小时、5小时或10小时。在特定实施方式中，总脱毒过程进行1小时至6小时、1.5小时至5小时、2小时至5小时、2.5小时至5小时、2.5小时至4小时或3小时至4小时范围内的时段。
脱毒过程的第一步(即与第一种碱或第一种碱的混合物混合)通常在95℃或或更低的温度下，例如在30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃或95℃的温度下进行。在特定实施方式中，反应的第一步可以在以任两个上述实施方式为边界的温度下进行，例如但不限于40℃至80℃、40℃至70℃、40℃至65℃、40℃至60℃、45℃至50℃、50℃至55℃或40℃至50℃范围内的温度。在添加水解产物溶液后的任何时间，可以提高或降低混合物的温度。
在脱毒反应包含两个步骤(即添加两种碱)的实施方式中，过程的第二步(即与第二种碱或第二种碱的混合物混合)通常在85℃或更低的温度下，例如在40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃或90℃的温度下进行。脱毒过程的第一步的温度可以与脱毒过程的第二步的温度相同或不同。在特定实施方式中，反应的第二步可以在以任两个上述实施方式为边界的温度下进行，例如但不限于40℃至80℃、40℃至70℃、40℃至65℃、40℃至60℃、40℃至50℃、50℃至55℃、45℃至50℃或47℃至50℃范围内的温度。在添加第二种碱后的任何时间，可以提高或降低水解产物溶液的温度。
在特别有利的实施方式中，脱毒过程的第二步在约40℃至60℃之间的温度范围内进行，这允许脱毒反应以商业上可行的速率进行，同时最小化可发酵性糖的损失，由此提高发酵产物(例如乙醇)的得率。
水解产物脱毒过程的第一步通常在3至9范围内的pH下，例如在3、4、5、6、7、8或9的pH下进行。在特定实施方式中，pH在以任两个上述实施方式为边界的范围内，例如但不限于3至4、3至5、4至5或4至6范围的pH。应该理解，在添加第一种碱后水解产物溶液的pH取决于向水解产物溶液添加的碱的本质和浓度。水解产物溶液的pH还取决于温度。例如，在第一种碱是氢氧化镁的实施方式中，氢氧化镁的溶解度随着温度升高而降低。因此，对于向水解产物溶液添加的给定量的氢氧化镁来说，当温度升高，所有其他变量保持恒定时，平衡pH降低。
水解产物脱毒过程的第二步通常在7至10范围内的pH，例如7、8、9或10的pH下进行。在特定实施方式中，pH在以任两个上述实施方式为边界的范围之内，例如但不限于7至8、7至9、8至9或8至10范围的pH。应该理解，在添加第二种碱后水解产物溶液的pH取决于向水解产物溶液添加的碱的本质和浓度以及水解产物溶液的pH。还应该理解，溶液的pH可以随着脱毒过程的进展而改变。在过程期间可以通过添加适合的酸或碱来调整水解产物溶液的pH。
在本公开的某些情况下，在脱毒过程的第一步中向水解产物溶液添加的第一种碱是含镁碱，例如氢氧化镁、碳酸镁或氧化镁。含镁碱可以在单一步骤中、分多个部分或连续地向水解产物溶液添加。在特定实施方式中，向水解产物溶液添加的第一种碱是氢氧化镁。氢氧化镁在酸性pH水平下可以溶解在水性溶液中，但是在7的中性pH或更高pH下具有低的溶解度。因此，氢氧化镁在水解产物的等当量点附近提供缓冲效果。使用氢氧化镁作为第一种碱的特别优点在于缓冲效果降低了在脱毒过程的第二步中添加第二种碱或第二种碱的混合物之前pH超调的可能性。
在脱毒过程的第一步中向水解产物溶液添加的含镁碱的总量取决于水解产物溶液的所需pH。通过添加较大量含镁碱以获得所需pH，可以获得较高pH水平。在含镁碱是氢氧化镁的实施方式中，可以在脱毒过程的第一步中向1x水解产物溶液添加以获得3至8之间的pH的氢氧化镁的总量，可以在1克每1千克水解产物(1g/1kg水解产物)至30克每1千克水解产物(30g/1kg水解产物)的范围内。例如，向1x水解产物溶液添加的氢氧化镁的总量可以为1g/1kg水解产物、2g/1kg水解产物、4g/1kg水解产物、6g/1kg水解产物、8g/1kg水解产物、10g/1kg水解产物、12g/1kg水解产物、15g/1kg水解产物、20g/1kg水解产物或25g/1kg水解产物。在特定实施方式中，向1x水解产物溶液添加的氢氧化镁的总量在以任两个上述实施方式为边界的范围之内，例如但不限于1g/1kg水解产物至20g/1kg水解产物、1g/1kg水解产物至10g/1kg水解产物、4g/1kg水解产物至20g/1kg水解产物、4g/1kg水解产物至12g/1kg水解产物或10g/1kg水解产物至12g/1kg水解产物范围内的氢氧化镁量。对于更浓的水解产物溶液(例如4x)来说，足以将pH升高到所需水平的氢氧化镁的量相对于1x水解产物溶液将会增加。对于浓度较低的水解产物溶液(例如0.5x)来说，足以将pH升高到所需水平的氢氧化镁的量相对于1x水解产物溶液将会减少。
在本公开的某些情况下，向水解产物溶液添加的第二种碱包括氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或其混合物。在这些实施方式中，在添加第二种碱或第二种碱的混合物后，溶液的pH被调整到7至11之间。例如，在添加第二种碱或第二种碱的混合物后，水解产物的pH可以为7、8、9、10或11。在特定实施方式中，在添加第二种碱后溶液的pH可以以任两个上述值为边界，例如但不限于7至9、8至9、8至10或9至11范围内的pH。
在本公开的某些情况下，在脱毒过程的第二步中向水解产物溶液添加的第二种碱是氢氧化铵。氢氧化铵具有约9.25的pKb。结果，可以将水解产物溶液的pH升高至所需水平(例如7至10之间、8至10之间或8至9之间)，而没有pH超调并由此造成过量糖降解的风险。此外，氢氧化铵在发酵期间为发酵微生物提供氮源(参见第4.5节)，这降低了发酵培养基的成本。向1x水解产物溶液添加以将pH带到所需水平的氢氧化铵的总量，可以在1克每1千克水解产物(1g/1kg水解产物)至50克每1千克克每1千克水解产物(50g/1kg水解产物)的范围内。例如，向1x水解产物溶液添加的氢氧化铵的总量可以为5g/1kg水解产物、10g/1kg水解产物、15g/1kg水解产物、20g/1kg水解产物、25g/1kg水解产物或30g/1kg水解产物。氢氧化铵可以在单一步骤中、分多个部分或连续地向水解产物溶液添加。在特定实施方式中，向1x水解产物溶液添加的氢氧化铵的总量在以任两个上述实施方式为边界的范围之内，例如但不限于1g/1kg水解产物至30g/1kg水解产物、1g/1kg水解产物至20g/1kg水解产物、1g/1kg水解产物至15g/1kg水解产物、1g/1kg水解产物至10g/1kg水解产物或10g/1kg水解产物至22g/1kg水解产物范围内的氢氧化铵。对于更浓的水解产物溶液(例如4x)来说，足以将pH升高到所需水平的氢氧化铵的量相对于1x水解产物溶液将会增加。对于浓度较低的水解产物溶液(例如0.5x)来说，足以将pH升高到所需水平的氢氧化铵的量相对于1x水解产物溶液来说将会减少。
在本公开的其他情况下，在脱毒过程的第二步中向水解产物溶液添加的第二种碱是氢氧化钙。在这些实施方式中，在脱毒后通过带过滤或离心过程进行固体石膏(硫酸钙)的移除。向1x水解产物溶液添加以将pH带到所需水平(例如7至10之间、8至10之间或8至9之间)的氢氧化铵的总量，可以在2克每1千克水解产物(2g/1kg水解产物)至50克每1千克水解产物(50g/1kg水解产物)的范围内。例如，向1x水解产物溶液添加的氢氧化钙的总量可以为2g/1kg水解产物、10g/1kg水解产物、15g/1kg水解产物、20g/1kg水解产物、25g/1kg水解产物或30g/1kg水解产物。氢氧化钙可以在单一步骤中、分多个部分或连续地向水解产物溶液添加。在特定实施方式中，向1x水解产物溶液添加的氢氧化钙的总量在以任两个上述实施方式为边界的范围之内，例如但不限于2g/1kg水解产物至30g/1kg水解产物、2g/1kg水解产物至20g/1kg水解产物、2g/1kg水解产物至15g/1kg水解产物、2g/1kg水解产物至20g/1kg水解产物或10g/1kg水解产物至25g/1kg水解产物范围内的氢氧化钙量。对于更浓的水解产物溶液(例如4x)来说，足以将pH升高到所需水平的氢氧化钙的量相对于1x水解产物溶液将会增加。对于浓度较低的水解产物溶液(例如0.5x)来说，足以将pH升高到所需水平的氢氧化钙的量相对于1x水解产物溶液来说将会减少。
本公开的脱毒过程的每个步骤可以在任何适合的容器例如分批反应器或连续反应器(例如连续搅拌釜式反应器(CSTR)或活塞流反应器(PFR))中进行。连续反应器允许在脱毒反应进行时连续添加和移除输入的材料(例如水解产物、含镁碱浆液)。适合的容器可以装备有用于搅拌水解产物溶液的手段，例如旋桨。反应器设计在Lin,K.-H.和Van Ness,H.C.(在Perry,R.H.和Chilton,C.H.主编的《化学工程师手册》(Chemical Engineer’s Handbook)第5版(1973)，第4章，McGraw-Hill,NY)中讨论。
脱毒过程可以以分批模式进行。所述方法通常包括将水解产物溶液与碱(或碱浆液)在反应器中合并。水解产物溶液和脱毒碱可以一起或分开地进料到反应器。任何类型的反应器可用于分批模式脱毒，其简单地包括添加原料，在特定条件(例如温度、剂量和时间)下进行脱毒过程，以及从反应器移除脱毒的水解产物。
或者，脱毒过程可以以连续模式进行。本公开的连续过程有利地减少了对停止和清洁反应器的需要，并因此可以以连续模式进行例如几天或更长(例如一周或更长)的时段，以支持总的连续过程。方法通常需要向反应器连续进料水解产物溶液和碱浆液。水解产物和碱浆液可以一起或分开地进料。得到的混合物在反应器中具有特定的滞留或停留时间。停留时间由向反应器添加水解产物和碱后达到所需水平的酸中和和/或脱毒的时间所决定。在脱毒过程后，脱毒的水解产物离开反应器，并且可以向反应器添加其他组分(例如水解产物和碱浆液)。可以将多个这样的反应器串联连接，以在延长的滞留时间内支持进一步的pH调节和/或在延长的滞留时间内调节温度。
对于连续模式的脱毒来说，可以使用允许相等的输入和输出速率的任何反应器例如CSTR或PFR，以便在反应器中实现稳态并使反应器的填充水平保持恒定。
本公开的脱毒过程可以以半连续模式进行。可以使用具有不相等的输入和输出料流并最终需要将***重新设定到起始条件的半连续反应器。
脱毒的每个步骤可以在相同的反应器或不同的反应器中进行。例如，在包含两步脱毒过程的实施方式中，第一和第二步可以在分批反应器中进行。在这些实施方式中，第二种碱或第二种碱的混合物在第一种碱或第一种碱的混合物之后添加，中和水解产物溶液中存在的酸。在添加第二种碱之前或期间，可以调整分批反应器的温度。
在包括两步脱毒过程的某些实施方式中，脱毒过程的第一步(即将水解产物与第一种碱或第一种碱的混合物混合)和脱毒过程的第二步(即将水解产物与第二种碱或第二种碱的混合物混合)两者可以在CSTR(或一系列CSTR)或PFR中进行。在某些实施方式中，脱毒过程的第一步和脱毒过程的第二步两者可以在CSTR(或一系列CSTR)中进行。在其他实施方式中，脱毒过程的第一步和脱毒过程的第二步两者可以在PFR中进行。在其他实施方式中，脱毒过程的第一步可以在CSTR(或一系列CSTR)中进行，并且脱毒过程的第二步可以在PFR中进行。在其他实施方式中，脱毒过程的第一步可以在PFR中进行，并且脱毒过程的第二步可以在CSTR(或一系列CSTR)中进行。
除了多步脱毒过程之外，本公开方法还可以包括其他步骤，例如在图1中示出了在脱毒步骤上游或下游的一个或多个步骤。在图1中，示出了在生物质水解下游的步骤。在生物质水解和固/液分离后，将水解产物在多级蒸发装置100中浓缩。水解产物通过管线101离开多级蒸发装置100，并被泵入到混合器102中。通过管线103将分开的氢氧化镁料流泵入到混合器102中。然后将水解产物与氢氧化镁的混合物泵入到CSTR 104中。混合物在CSTR 104中的停留时间约为30分钟至1小时。CSTR中的pH被维持在5至6之间的范围内，并且温度在45℃至60℃之间的范围内。通过管线105将离开CSTR 104的液体料流泵入到CSTR或PFR反应器106中。通过管线107将氢氧化铵连续供应到CSTR或PFR反应器106。混合物在第二CSTR或PFR反应器106中的停留时间约为3至5小时，并且反应器的pH被维持在8至10之间的范围内。在第二CSTR或PFR反应器106中脱毒后，将脱毒的水解产物通入到管线108中，在那里它遇到来自于管线109的酸(例如硫酸或磷酸)料流。将脱毒的水解产物的混合物通入到混合器110中。中和的脱毒的水解产物通过管线111离开混合器110，并流入到发酵容器112中。
在添加每种碱或碱的混合物后水解产物溶液的充分混合，可以提高碱的溶解速率并确保在整个溶液中pH保持基本上均匀。例如，理想的混合将避免形成局部的较高pH的口袋，所述口袋可以造成对呋喃消除的较低选择性。可以使用100转每分钟(rpm)至1500rpm之间的混合速度来确保水解产物溶液的充分混合。例如，可以使用100rpm、200rpm、400rpm、800rpm和1500rpm的混合速度。在特定实施方式中，混合可以在以任两个上述混合速度为边界的速度下进行，例如但不限于100rpm至200rpm、100rpm至400rpm、200rpm至400rpm、400rpm至800rpm或800rpm至1,500rpm。在其他实施方式中，可以使用间歇的混合方案，其中混合速率随着脱毒过程的进展而变。水解产物溶液的混合物可以使用本领域中已知的任何混合器来实现，例如高剪切混合器、桨式混合器、磁力搅拌机或振摇器、涡旋振荡、使用珠子的搅拌和顶置式搅拌。
本公开的脱毒方法提供了与脱毒前的起始水解产物相比已除去显著部分的呋喃醛(例如糠醛)的脱毒的水解产物。同时，脱毒导致总可发酵性糖的极小损失。因此，脱毒反应对呋喃醛的消除是高度选择性的。在特定实施方式中，本公开提供的脱毒的水解产物具有存在于起始水解产物中的至少70％、至少80％、至少85％、至少90％、至少92％、至少93％、至少95％或至少99％的总可发酵性糖，以及存在于起始水解产物中的不超过50％、不超过40％、不超过30％或不超过20％的呋喃醛。
在特定实施方式中，本公开的脱毒方法提供的脱毒的水解产物具有(a)起始水解产物中存在的至少90％的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过50％的呋喃醛；(b)起始水解产物中存在的至少90％的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过40％的呋喃醛；(c)起始水解产物中存在的至少90％的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过30％的呋喃醛；(d)起始水解产物中存在的至少90％的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过20％的呋喃醛；(e)起始水解产物中存在的至少80％的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过50％的呋喃醛；(f)起始水解产物中存在的至少80％的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过40％的呋喃醛；(g)起始水解产物中存在的至少80％的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过30％的呋喃醛；或(h)起始水解产物中存在的至少80％的总可发酵性糖和起始水解产物中存在的不超过20％的呋喃醛。
在脱毒过程完成后，可以通过添加适合的酸(例如硫酸或磷酸)(参见图1和实施例3)来降低脱毒的水解产物溶液的pH。可以将pH调整到适合于发酵微生物的水平。一般来说，将pH调整到3.5至8之间的值，更通常为4至7之间的值。在将pH调整到所需水平之后，可以将脱毒的水解产物转移到发酵容器。
脱毒的水解产物的发酵(4.5节)
糖向发酵产物的发酵可以在单步或多步发酵中，通过一种或多种适合的发酵微生物来进行。发酵微生物可以是野生型微生物或重组微生物，并包括埃希氏菌(Escherichia)、发酵单胞菌(Zymomonas)、酵母(Saccharomyces)、假丝酵母(Candida)、毕赤酵母(Pichia)、链霉菌(Streptomyces)、芽孢杆菌(Bacillus)、乳杆菌(Lactobacillus)和梭状芽孢杆菌(Clostridium)。特别适合的产乙醇菌物种包括大肠埃希氏菌(Escherichia coli)、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillus stearothermophilus)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、热纤梭状芽孢杆菌(Clostridiathermocellum)、Thermoanaerobacterium saccharolyticum和树干毕赤酵母(Pichia stipitis)。大肠杆菌或运动发酵单胞菌的遗传修饰菌株可用于乙醇生产(参见例如Underwood等，2002,Appl.Environ.Microbiol.68:6263-6272和US 2003/0162271A1)。
发酵可以在含有或不含其他营养物例如维生素和玉米浆(CSL)的最低培养基中进行。发酵可以在本领域中已知的任何适合的发酵容器中进行。例如，发酵可以在Erlenmeyer摇瓶、Fleaker、DasGipfedbatch-pro(DasGip technology)、2L BioFlo发酵罐或10L发酵罐(B.Braun Biotech)中进行(参见实施例5)。发酵过程可以作为分批、补料分批或连续过程来进行。发酵液的起始pH在3.5的值至8的值的范围内，更通常在4的值至7的值的范围内。发酵一般在20℃至40℃之间的温度下进行，更通常在25℃至35℃之间。在特定实施方式中，发酵进行5至90小时、10至50小时或20至40小时之间的时段。
发酵产物的回收(4.6节)
发酵产物可以使用本领域中已知的各种方法来回收。产物可以通过离心、过滤、微滤和纳滤与其他发酵组分分开。产物可以通过离子交换、溶剂萃取或电透析来提取。可以使用絮凝剂来协助产物分离。作为具体实例，可以使用本领域中已知的用于ABE发酵的方法从发酵培养基分离生物生产的乙醇(参见例如Durre,1998,Appl.Microbiol.Biotechnol.49:639-648；Groot等，1992,Process.Biochem.27:61-75；以及其中的参考文献)。例如，可以通过离心、过滤、倾倒等从发酵培养基中移除固体。
在发酵后，发酵产物例如乙醇，可以通过已知用于从水性溶液分离乙醇的许多常规技术中的任一种，从发酵液分离。这些方法包括蒸发、蒸馏、共沸蒸馏、溶剂萃取、液-液萃取、膜分离、薄膜蒸发、吸附、涤气、渗透汽化等。
具体实施方式
实施例1：木质纤维素生物质的水解(5.1节)
收获木质纤维素生物质(例如能源甘蔗或甘蔗)并使用饲料切碎机切成一定大小，用乳杆菌细菌制备物接种并储存在农用袋中直至使用。在稀酸水解之前，从袋子中取出木质纤维素生物质并用工艺用水清洗以除去有机酸，然后使用螺旋压力机脱水。然后将生物质与水和硫酸(0.2％至3％)一起运送到加压反应室(即水解器)。最小化浆液的液/固比，以最大化水解后水解产物中溶解的糖的浓度。在水解器中的滞留时间和水解器的温度取决于生物质的参数(例如湿度和葡聚糖水平)。一般来说，水解器的温度在120℃至180℃的范围内，滞留时间在3分钟至2小时的范围内。
在稀酸水解后，得到的水解器浆液含有溶解的糖以及残留的不溶性纤维。将浆液***减压并吹入到旋风分离器装置中，以将浆液减压。使用清洗用水将材料重新形成浆液，并使用螺旋压力机将浆液脱水，以便榨出溶解的糖和毒素。使用具有反向流清洗的三个螺旋压力机步骤来脱水和清洗抑制剂饼。反向流清洗被定义为清洗用水以与饼流动相反的方向流动。将高固体百分率的浆液稀释成低固体百分率的浆液(<10％固体)并泵向螺旋压力机。这种稀释使用当***达到稳态时从后面的螺旋压力机通过反向流交换所提供的一部分重循环液体(被定义为“压出液”)。在最后的螺旋压力机步骤中与压出液一起加入清洁的水，以使饼可泵送。使用另外两个螺旋压力机重复最初的液/固分离步骤，以从饼中除去毒素。将得到的高固体百分率的饼推进到进行同时糖化和发酵，并收集来自于第一步的压出液用于脱毒工作。
来自于几种生物质来源的起始水解产物中各个化合物(例如糖、呋喃和脂族酸)在稀酸水解和固/液分离后的浓度，示出在表1中。
表1：起始水解产物的组成
实施例2：甘蔗水解产物的使用氢氧化镁和氢氧化铵的两步脱毒-分批过程(5.2节)
材料和方法(5.2.1节)
甘蔗DP 110105(5.2.1.1节)
将从甘蔗获得的水解产物DP 110105置于适合于顶置式搅拌的1L反应器容器中，通过加热套加热至47℃并剧烈混合。当水解产物溶液被加温时，称量目标量的氢氧化镁浆液(即氢氧化镁在水中的超饱和溶液)。向水解产物添加的氢氧化镁的总量，从水解产物溶液用氢氧化钠的滴定来确定。参见Martinez等，2001,Biotechnol.Prog.17(2):287-293。在47℃下，以15.73g/Kg水解产物的剂量向水解产物溶液添加氢氧化镁浆液，同时将溶液剧烈混合并保持5分钟。在添加氢氧化镁后，水解产物溶液的pH约为5.8。
接下来，通过以5.14g/Kg水解产物的剂量添加氢氧化铵，将水解产物溶液的pH提高到8.3-8.7之间。随时间监测脱毒过程的进展。在各个不同时间点从水解产物溶液获取样品，并将其用停止溶液(50mMH2SO4)在冰上淬灭(将约1.3ml每个时间点的样品立即加入到11.7ml冰冷的停止溶液(50mM H2SO4，10x倍数稀释)，以在进一步化学分析的时间尺度上淬灭任何进一步反应的发生)。在脱毒过程完成后，随后将脱毒的水解产物冷却至发酵温度，并如第4.5节中所述在混合的同时使用4M H2SO4，将pH调整到发酵pH。
在脱毒的水解产物溶液的酸化后，测量水解产物中各个化合物的浓度。糖通过HPLC来分离和定量。使用Shodex SP0810孔径排阻和配体交换柱以及Agilent 1200系列折光率检测器(RID)。使用HPLC级别的水作为流动相运行等度方法，所述方法提供足够的分辨率，以产生可以从中计算不同糖包括木糖、***糖、葡萄糖、纤维二糖、半乳糖、甘露糖和其他糖的色谱图。
糠醛和5-HMF的浓度也通过HPLC来分析，使用Alltech PlatinumC18柱和相同的Agilent RID。将样品在水/乙腈混合物中稀释并转移到小瓶或多孔板中。这些样品通过保留时间和峰面积，针对已知浓度的各种被分析物的标准曲线来鉴定和定量。
甘蔗DP 110505(5.2.1.2节)
将从甘蔗获得的水解产物DP 110505置于适合于顶置式搅拌的2L反应器容器中，通过加热套加热至47℃并剧烈混合。当水解产物溶液被加温时，称量目标量的氢氧化镁浆液(即氢氧化镁在水中的超饱和溶液)。向水解产物添加的氢氧化镁的总量，从水解产物溶液用氢氧化钠的滴定来确定。参见Martinez等，2001,Biotechnol.Prog.17(2):287-293。在47℃下，以19.45g/Kg水解产物的剂量向水解产物溶液添加氢氧化镁浆液，同时将溶液剧烈混合并保持5分钟。在添加氢氧化镁后，水解产物溶液的pH约为5.5。
接下来，通过以2.94g/Kg水解产物的剂量添加氢氧化铵，将水解产物溶液的pH提高到8.3-8.7之间。随时间监测脱毒过程的进展。在各个不同时间点从水解产物溶液获取样品，并将其用停止溶液(50mMH2SO4)在冰上淬灭(将约1.3ml每个时间点的样品立即加入到11.7ml冰冷的停止溶液(50mM H2SO4，10x倍数稀释)，以在进一步化学分析的时间尺度上淬灭任何进一步反应的发生)。在脱毒过程完成后，随后将脱毒的水解产物冷却至发酵温度，并如第4.5节中所述在混合的同时使用4M H2SO4，将pH调整到发酵pH。
在脱毒的水解产物溶液的酸化后，水解产物中各个化合物的浓度如第5.2.1.1节中所描述来测量。
结果(5.2.2节)
表2示出了水解产物溶液在添加第一和第二种碱后的最终pH值、总反应时间、在脱毒过程后测量的糖损失的％以及在脱毒过程后测量的糠醛消除的％。表2中示出的结果表明脱毒反应对呋喃醛(例如糠醛)消除具有与糖损失相比远远更高的选择性。在所指示的时间点时糖损失的百分率为0.8％或更低，而糠醛去除的百分率为33.2％或更高。
表2：使用氢氧化镁和氢氧化铵的甘蔗两步分批脱毒
实施例3：甘蔗水解产物DP 110505用氢氧化镁和氢氧化铵的两步分批脱毒步骤–pH的影响(5.3节)
材料和方法(5.3.1节)
来自于甘蔗DP110105的脱毒，以与第5.2.1.2节中所描述的相似的方式，使用利用氢氧化镁和氢氧化铵的两步分批脱毒过程来进行。进行实验来测量在氢氧化铵后，在各个时间点处pH对选择性(糠醛消除相比于木糖降解)的影响。
黄水解产物DP 110105(800g)置于适合于顶置式搅拌的1L无挡板反应器容器中，通过加热套加热至47℃并以420rpm搅拌。在将水解产物溶液加热至所需温度后，在搅拌的同时在47℃下向水解产物溶液快速加入氢氧化镁浆液至pH 5.8，并保持5分钟。然后加入氢氧化铵至8.5或9的pH，并将混合物在47℃下搅拌总共4小时。随时间监测脱毒过程的进展。在各个不同时间点从水解产物溶液获取样品，并将其用停止溶液(50mM H2SO4)在冰上淬灭(将约1.3ml每个时间点的样品立即加入到11.7ml冰冷的停止溶液(50mM H2SO4，10x倍数稀释)，以在进一步化学分析的时间尺度上淬灭任何进一步反应的发生)。
在脱毒的水解产物溶液的酸化后，测量水解产物中各个化合物的浓度。糖通过HPLC来分离和定量。使用Shodex SP0810孔径排阻和配体交换柱以及Agilent 1200系列折光率检测器(RID)。使用HPLC级别的水作为流动相运行等度方法，所述方法提供足够的分辨率，以产生可以从中计算不同糖包括木糖、***糖、葡萄糖、纤维二糖、半乳糖、甘露糖和其他糖的色谱图。
糠醛和5-HMF的浓度也通过HPLC来分析，使用Alltech PlatinumC18柱和相同的Agilent RID。将样品在水/乙腈混合物中稀释并转移到小瓶或多孔板中。这些样品通过保留时间和峰面积，针对已知浓度的各种被分析物的标准曲线来鉴定和定量。
结果(5.3.2结果)
图2示出的图显示了使用混合碱(氢氧化镁，随后氢氧化铵)脱毒程序时在各个不同时间残留的糠醛和木糖的量。如图2中所示，脱毒过程的第二步在两种不同pH值(8.5和9)下进行。图2中的结果表明，在8.5和9两种pH下，脱毒过程是高度选择性的。在9的pH下糠醛消除的速率更快。
实施例4：甘蔗和能源甘蔗水解产物用氢氧化镁和氢氧化钙的两步脱毒–分批过程(5.4节)
材料和方法(5.4.1节)
能源甘蔗水解产物DP 100513-1(5.4.1.1节)
将源自于能源甘蔗的水解产物DP 100513-1称重在装备有搅拌棒并在油浴中预加热至70℃的2L圆底烧瓶中。在将水解产物溶液加温时，称重目标量的氢氧化镁浆液。向水解产物添加的氢氧化镁的总量，从水解产物溶液用氢氧化钠的滴定来确定。参见Martinez等，2001,Biotechnol.Prog.17(2):287-293。在70℃下，以11.5g/Kg水解产物的剂量向水解产物溶液添加氢氧化镁浆液，同时用搅拌棒将溶液剧烈混合约5分钟。在添加氢氧化镁后，水解产物溶液的pH约为4.0。
在与氢氧化镁反应后，将水解产物溶液转移至空烧杯并冷却至50℃。接下来，通过以14.1g/Kg水解产物的剂量添加氢氧化钙并在同时通过搅拌棒将溶液充分混合，将水解产物溶液的pH提高到8.3-8.7之间。然后将脱毒的水解产物冷却至发酵温度，并按照第4.5节中所述在混合的同时使用4M H2SO4，将pH调整到发酵pH。
在脱毒的水解产物溶液酸化后，如第5.2.1.1节中所述测量水解产物中各个化合物的浓度。
甘蔗水解产物DP 110405(5.4.1.2节)
将源自于甘蔗的水解产物DP 110405称重在装备有搅拌棒并在油浴中预加热至70℃的2L圆底烧瓶中。在将水解产物溶液加温时，称重目标量的氢氧化镁浆液。向水解产物添加的氢氧化镁的总量，从水解产物溶液用氢氧化钠的滴定来确定。参见Martinez等，2001,Biotechnol.Prog.17(2):287-293。在70℃下，以15.53g/Kg水解产物的剂量向水解产物溶液添加氢氧化镁浆液，同时用搅拌棒将溶液剧烈混合约5分钟。在添加氢氧化镁后，水解产物溶液的pH约为4.4。
在与氢氧化镁反应后，将水解产物溶液转移至空烧杯并冷却至50℃。接下来，通过以9.29g/Kg水解产物的剂量添加氢氧化钙，将水解产物溶液的pH提高到8.3-8.7之间。在添加氢氧化钙后，将反应保持6小时以确保足够的脱毒。然后将脱毒的水解产物冷却至发酵温度，并按照第4.5节中所述在混合的同时使用4M H2SO4，将pH调整到发酵pH。
在脱毒的水解产物溶液酸化后，如第5.2.1.1节中所述测量水解产物中各个化合物的浓度。
甘蔗水解产物DP 110105(5.4.1.3节)
将源自于甘蔗的水解产物DP 110105称重在装备有搅拌棒并在油浴中预加热至70℃的2L圆底烧瓶中。在将水解产物溶液加温时，称重目标量的氢氧化镁浆液。向水解产物添加的氢氧化镁的总量，从水解产物溶液用氢氧化钠的滴定来确定。参见Martinez等，2001,Biotechnol.Prog.17(2):287-293。在70℃下，以11.84g/Kg水解产物的剂量向水解产物溶液添加氢氧化镁浆液，同时用搅拌棒将溶液剧烈混合约5分钟。在添加氢氧化镁后，水解产物溶液的pH约为4.4。
在与氢氧化镁反应后，将水解产物溶液转移至空烧杯并冷却至50℃。接下来，通过以8.55g/Kg水解产物的剂量添加氢氧化钙，将水解产物溶液的pH提高到8.3-8.7之间。在添加氢氧化钙后，将反应保持6小时以确保足够的脱毒。然后将脱毒的水解产物冷却至发酵温度，并按照第4.5节中所述在混合的同时使用4M H2SO4，将pH调整到发酵pH。
在脱毒的水解产物溶液酸化后，如第5.2.1.节中所述测量水解产物中各个化合物的浓度。
结果(5.4.2节)
表3示出了在添加第一和第二种碱后水解产物溶液的最终pH值、总反应时间、在脱毒过程后测量到的糖损失的％以及在脱毒过程后测量到的糠醛消除的％。表3中示出的结果表明脱毒反应对呋喃醛(例如糠醛)消除具有与糖损失相比远远更高的选择性。在所指示的时间点时糖损失的百分率为5.0％或更低，而呋喃去除的百分率为58.3％或更高。
表3：甘蔗使用氢氧化镁和氢氧化钙的两步分批脱毒
实施例5：能源甘蔗水解产物使用氢氧化镁和氢氧化钙的两步脱毒–串联的CSTR(5.5节)
材料和方法(5.5.1节)
从能源甘蔗获得的水解产物DP 100513-1的脱毒，使用两个单独的CSTR执行脱毒过程的每个步骤来进行。释义概述示出在图3中。使用加热套和/或循环水浴将水解产物溶液(Hz)加热至70℃，并用蠕动泵以18.95ml/min的流速提供给第一CSTR(250ml)。将第一CSTR维持在50℃的温度下。以0.26ml/min的流速向第一CSTR添加氢氧化镁浆液(11.5g/kg水解产物)。通过固定每个反应器瓶中的目标体积并维持目标流速来限制第一CSTR中的停留时间(其中流速乘以体积等于停留时间)。因此，第一反应器中的停留时间约为3分钟。
然后将该混合物泵向第二CSTR(2L)，以0.79ml/min的流速向其加入氢氧化钙(14.1g/Kg水解产物)。将第二CSTR维持在50℃的温度下。通过固定每个反应器瓶中的目标体积并维持目标流速来限制第二CSTR中的停留时间(其中流速乘以体积等于停留时间)。因此，第二反应器中的停留时间约为1.7小时。将来自于第一反应器的混合物以产生3.3小时的总停留时间的流速泵入到第二CSTR(4L)中。
为防止泡沫积累，以每小时约1ml的剂量向CSTR反应器手动添加稀释100倍的消泡剂。
结果(5.5.2节)
表4示出了在添加第一和第二种碱后水解产物溶液的最终pH值、总反应时间、在脱毒过程后测量到的糖损失的％以及在CSTR中进行的脱毒过程后测量到的糠醛消除的％。在表4中示出的结果表明脱毒反应对呋喃醛(例如糠醛)消除具有与糖损失相比远远更高的选择性。CSTR过程产生的脱毒的水解产物没有糖损失并具有超过87％的糠醛消除。
表4：在CSTR中甘蔗用氢氧化镁和氢氧化钙的两步脱毒
实施例6：脱毒的水解产物的发酵(5.6节)
材料和方法(5.6.1节)
在脱毒步骤后，通过添加4M H2SO4(参见实施例2和3)将水解产物的pH调整到适合的发酵pH(例如5至7之间)。脱毒的水解产物的发酵使用大肠杆菌和酿酒酵母(S.cerevisiae)(酵母)的两种不同菌株作为产乙醇菌来进行。发酵在含有或不含其他营养物例如维生素和CSL的最低培养基中进行，使用32℃至35℃之间的温度和5.0至7.0之间的起始pH，进行或不进行pH控制。
过程包括通过Erlenmeyer摇瓶、Fleaker(Spectrum Lab)、DasGipfedbatch-pro(DasGip technology)、2L BioFlo发酵罐(New Brunswick)和10L发酵罐(B.Braun Biotech)的发酵。分批和补料分批发酵在2L和10L发酵罐中进行试验。例如，大肠杆菌接种物培养分三步进行生长。种子I和II培养基由40mM MES、1x AM6(0.5g/L磷酸钠、0.859g/L尿素)、1％CSL和60.79g/L葡萄糖构成。将含有100ml培养基的250ml Erlenmeyer摇瓶用100μl甘油储用物接种，在35℃下在120rpm的旋转摇床上生长11小时(种子I)。种子II培养用100μl种子I培养物接种，并在35℃下在120rpm的旋转摇床上生长11小时。含有1xAM6、5g/L CSL、50％脱毒的水解产物(v/v)和0.6％酵母自溶物的种子III培养，在2L发酵罐中用5％种子II培养物接种，并在35℃、pH7.0和495rpm的搅拌下生长10-11hrs，直至乙醇浓度达到5g/L。将含有95％(v/v)脱毒的水解产物和1x AM6并含有或不含其他营养物的主发酵容器用5％(v/v)种子III接种物接种，并以分批和补料分批两种模式，在35℃和7的pH下进行好氧发酵。在补料分批发酵期间，脱毒的水解产物和AM6以各种不同速率补料，并通过搅拌匀变曲线使用溶氧级联控制策略来维持补料期间的溶氧。
使用气相色谱(GC，Agilent 6890系列)测定来自于发酵样品的乙醇浓度。具体来说，使用具有火焰离子化检测器和HP-Innowax柱的Agilent***。GC***设置包括1)HP-INNOWax聚乙二醇毛细管柱(30m x 0.25mm x 0.25um)；2)以0.8mL/min恒速流动的作为载样气体的氦气；3)柱温箱程序：40℃(保持5.6min)，以25℃/min的速率匀变升温至125℃；4)进样：入口温度250℃，进样体积1uL，分离比为100:1。使用化合物1-丙醇作为内标，并获得多点标准曲线以计算每个样品的最终乙醇浓度。将样品用含有0.2％1-丙醇作为内标的甲醇进行稀释，并在除去沉淀物后注入到GC***中。乙醇通过停留时间来鉴定并通过峰面积来定量。
结果(5.6.2结果)
对于用氢氧化镁或氢氧化钙脱毒后的脱毒的水解产物，评估被定义为发酵能力的产乙醇菌生产乙醇的能力。使用氢氧化钙的脱毒反应，以与实施例2和3中描述的脱毒反应相似的方式，在标准的超施石灰条件(55℃30分钟)下进行。
脱毒的水解产物的发酵能力结果示出在表5中。在表5中，发酵能力测量值已被归一化至标准的超施石灰条件，其中1的发酵能力被定义为达到与标准的超施石灰条件相同的最大乙醇浓度的情况。如表5中所示，产生的乙醇的量与使用氢氧化钙脱毒的水解产物的量相当。
表5：脱毒的水解产物的发酵能力
具体实施方式和参考引入
本申请中引用的所有出版物、专利、专利申请和其他文献以其全部内容为所有目的通过参考并入本文，其程度如同每个单个的出版物、专利、专利申请或其他文献被单独地指明为所有目的通过参考并入。
尽管已经说明并描述了各种具体的实施方式，但应该认识到，可以做出各种改变而不背离本发明的精神和范围。

Claims (65)

1.一种降低木质纤维素水解产物对发酵生物体的毒性或减少来自于木质纤维素水解产物的对发酵生物体的一种抑制剂的至少一部分的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)将从木质纤维素生物质获得的木质纤维素水解产物的起始溶液，与其量足以将所述溶液的pH提高到3至8之间的第一种碱或第一种碱的混合物混合，所述起始溶液包含可发酵性糖、呋喃醛和脂族酸的混合物；以及
(b)将在步骤(a)中产生的溶液与其量足以将所述溶液的pH提高到7至10之间的第二种碱或第二种碱的混合物混合，所述混合历时足以消除所述木质纤维素水解产物中至少40％的呋喃醛的时间，
由此降低所述木质纤维素水解产物的毒性。
2.权利要求1的方法，其中所述第一种碱和第二种碱是相同的。
3.权利要求1的方法，其中所述第一种碱和第二种碱是不同的。
4.权利要求1-3任一项的方法，其中所述第一种碱以足以将所述溶液的pH提高到3至5之间的量添加。
5.权利要求1-3任一项的方法，其中所述第一种碱以足以将所述溶液的pH提高到4至6之间的量添加。
6.权利要求1-5任一项的方法，其中所述第二种碱以足以将所述溶液的pH提高到8至10之间的量添加。
7.权利要求1-5任一项的方法，其中所述第二种碱以足以将所述溶液的pH提高到9至10之间的量添加。
8.权利要求1-7任一项的方法，其中步骤(a)在40℃至60℃之间的温度下进行。
9.权利要求1-7任一项的方法，其中步骤(a)在40℃至50℃之间的温度下进行。
10.权利要求1-9任一项的方法，其中步骤(b)在30℃至90℃之间的温度下进行。
11.权利要求1-9任一项的方法，其中步骤(b)在40℃至70℃之间的温度下进行。
12.权利要求1-11任一项的方法，其中所述木质纤维素生物质选自象草、能源甘蔗、高粱、芦竹、糖用甜菜、柳枝稷、甘蔗渣、稻秆、芒草、柳枝稷、麦秆、木材、木材废料、纸张、废纸、农业废料、城市废料、桦木、燕麦、玉米秸秆、桉木、柳木、杂交杨木、短周期木本作物、针叶软木和作物残茬。
13.权利要求1-12任一项的方法，其中所述第一种碱是含镁碱。
14.权利要求13的方法，其中所述含镁碱是氢氧化镁。
15.权利要求13的方法，其中所述含镁碱是碳酸镁。
16.权利要求13的方法，其中所述含镁碱是氧化镁。
17.权利要求1-16任一项的方法，其中所述第二种碱选自氢氧化铵、氢氧化钙、氢氧化钠和氢氧化钾。
18.权利要求17的方法，其中所述第二种碱是氢氧化铵。
19.权利要求17的方法，其中所述第二种碱是氢氧化钙。
20.权利要求17的方法，其中所述第二种碱是氢氧化钠。
21.权利要求17的方法，其中所述第二种碱是氢氧化钾。
22.权利要求1-21任一项的方法，其中步骤(a)和步骤(b)在分批反应器中进行。
23.权利要求1-21任一项的方法，其中步骤(a)在分批反应器中进行，并且步骤(b)在连续搅拌釜式反应器(CSTR)或一系列CSTR中进行。
24.权利要求1-21任一项的方法，其中步骤(a)和步骤(b)两者都在CSTR或一系列CSTR中进行。
25.权利要求1-21任一项的方法，其中步骤(a)在CSTR或一系列CSTR中进行，并且步骤(b)在活塞流反应器(PFR)中进行。
26.权利要求1-21任一项的方法，其中步骤(a)和步骤(b)两者都在PFR中进行。
27.权利要求1-26任一项的方法，其中所述起始水解产物与所述含镁碱的混合进行0.05小时至4小时之间的时段。
28.权利要求1-26任一项的方法，其中步骤(a)和步骤(b)进行1小时至6小时之间的合并时段。
29.权利要求1-26任一项的方法，其中步骤(a)和步骤(b)进行2小时至5小时之间的合并时段。
30.权利要求1-29任一项的方法，其中所述起始溶液中总可发酵性糖的浓度在30g/L至160g/L之间。
31.权利要求1-29任一项的方法，其中所述起始溶液中总可发酵性糖的浓度在40g/L至95g/L之间。
32.权利要求1-29任一项的方法，其中所述起始水解产物中总可发酵性糖的浓度在50g/L至70g/L之间。
33.权利要求1-32任一项的方法，其中所述呋喃醛包含糠醛和5-HMF。
34.权利要求33的方法，其中所述起始溶液中糠醛的起始浓度在0.5g/L至10g/L之间。
35.权利要求33的方法，其中所述起始溶液中糠醛的起始浓度在1.5g/L至5g/L之间。
36.权利要求33-35任一项的方法，其中所述起始溶液中5-HMF的浓度在0.1g/L至5g/L之间。
37.权利要求33-35任一项的方法，其中所述起始溶液中5-HMF的浓度在0.5g/L至2.5g/L之间。
38.权利要求1-37任一项的方法，其中所述脂族酸包含乙酸和乳酸。
39.权利要求38的方法，其中所述起始溶液中乙酸的浓度在2g/L至17g/L之间。
40.权利要求38的方法，其中所述起始溶液中乙酸的浓度在11g/L至16g/L之间。
41.权利要求38-40任一项的方法，其中所述起始溶液中乳酸的浓度在4g/L至10g/L之间。
42.权利要求1-41任一项的方法，其中所述起始水解产物还包含酚物质。
43.权利要求42的方法，其中所述起始溶液中酚物质的浓度在0.5g/L至5g/L之间。
44.权利要求1-43任一项的方法，其中所述可发酵性糖包括木糖、***糖、鼠李糖、葡萄糖、甘露糖和半乳糖中的一种或多种。
45.权利要求1-44任一项的方法，其中在步骤(b)中产生的水解产物溶液包含不超过30％、不超过20％或不超过10％的存在于所述起始木质纤维素水解产物溶液中的呋喃醛。
46.权利要求1-45任一项的方法，其中在步骤(b)中产生的水解产物溶液包含至少90％、至少93％或至少95％的存在于所述起始水解产物溶液中的总可发酵性糖。
47.权利要求1-46任一项的方法，其还包括添加酸以将在步骤(b)中产生的溶液的pH降低到3.5至9之间的步骤。
48.权利要求1-46任一项的方法，其还包括添加酸以将在步骤(b)中产生的溶液的pH降低到4至6之间的步骤。
49.权利要求1-48任一项的方法，其还包括在步骤(a)之前浓缩所述起始水解产物溶液的步骤。
50.一种生产乙醇的方法，所述方法包括在通过权利要求1-49任一项的方法产生的脱毒的水解产物溶液存在下、在生产乙醇的条件下培养发酵微生物由此生产乙醇的步骤。
51.权利要求50的方法，其还包括从所述培养物中分离乙醇。
52.权利要求50或51的方法，其中所述发酵生物体包括大肠埃希式杆菌(Escherichia coli)、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、嗜热脂肪芽孢杆菌(acillus stearothermophilus)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、热纤梭菌(Clostridia thermocellum)、Thermoanaerobacterium saccharolyticum和树干毕赤酵母(Pichiastipitis)中的一种或多种。
53.权利要求50-52任一项的方法，其还包括在所述培养步骤之间生产所述脱毒的水解产物。
54.一种连续减少木质纤维素水解产物中呋喃醛的量的方法，所述方法包括下列步骤：
(a)将水解产物溶液流入第一反应器或第一反应器系列，所述水解产物溶液包含可发酵性糖、呋喃醛和脂族酸的混合物；
(b)将第一种碱流入所述第一反应器或第一反应器系列；
(c)将所述水解产物溶液与所述第一种碱在所述第一反应器或第一反应器系列中混合历时足以中和所述水解产物溶液中的酸的时段；
(d)将所述水解产物溶液流入第二反应器或第二反应器系列；
(e)将第二种碱流入所述第二反应器或第二反应器系列；
(f)将所述水解产物溶液与所述第二种碱在所述第二反应器或第二反应器系列中混合历时足以减少所述水解产物中的呋喃醛的量的时段，由此产生脱毒的水解产物溶液；以及
(g)将所述脱毒的水解产物溶液流出所述第二反应器或第二反应器系列。
55.权利要求54的方法，其还包括酸化流出所述第二反应器的水解产物。
56.权利要求54或55的方法，其中所述第一种碱是含镁碱。
57.权利要求56的方法，其中所述含镁碱选自氢氧化镁、氧化镁和碳酸镁。
58.权利要求57的方法，其中所述第一种碱是氢氧化镁。
59.权利要求54-58任一项的方法，其中所述第二种碱是氢氧化铵。
60.权利要求54-58任一项的方法，其中所述第二种碱是氢氧化钙。
61.权利要求54-60任一项的方法，其中所述第一反应器是CSTR，并且所述第二反应器是PFR。
62.权利要求54-60任一项的方法，其中所述第一反应器是PFR，并且所述第二反应器是活塞流反应器PFR。
63.权利要求54-60任一项的方法，其中所述第一反应器是PFR，并且所述第二反应器是CSTR。
64.权利要求54-60任一项的方法，其中所述第一反应器是CSTR，并且所述第二反应器是CSTR。
65.权利要求54-64任一项的方法，其还包括在步骤(a)之前浓缩所述水解产物。
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