阅读说明：本技术 处理木质纤维素生物质的方法 (Method for treating lignocellulosic biomass ) 是由 C·艾马尔 S·卢埃斯东 R·鲁塞 D·于德比纳 于 2020-01-20 设计创作，主要内容包括：本发明的主题是处理木质纤维素生物质的方法,其包括以下步骤：a)调节木质纤维素生物质,b)洗涤所述颗粒,c)将经洗涤的生物质颗粒与水性溶液分离,d)采用酸性液体浸渍所述木质纤维素基质,e)对经浸渍的木质纤维素基质进行固/液分离,f)通过蒸煮对来自步骤e)的所述基质进行预处理,g)对经预处理的木质纤维素基质进行酶水解,h)对来自步骤g)的水解产物进行发酵,-以及将用过的水性洗涤溶液引入在预处理步骤f)之后的所述生物质处理方法步骤中、和/或引入酶生产步骤中、和/或引入对步骤g)或h)所需的微生物进行生产/繁殖的步骤中。(The subject of the present invention is a method for treating lignocellulosic biomass comprising the following steps: a) conditioning lignocellulosic biomass, b) washing the particles, c) separating the washed biomass particles from the aqueous solution, d) impregnating the lignocellulosic substrate with an acidic liquid, e) solid/liquid separating the impregnated lignocellulosic substrate, f) pretreating the substrate from step e) by cooking, g) enzymatically hydrolyzing the pretreated lignocellulosic substrate, h) fermenting the hydrolysate from step g), and introducing the used aqueous washing solution in the step of the biomass treatment process after pretreatment step f), and/or in the step of enzyme production, and/or in the step of production/propagation of the microorganism required in step g) or h).)

具体实施方式

描述

下文详细描述了根据上述本发明的一个实施方案的生物质处理的各个步骤：

调节木质纤维素生物质的步骤a)

处理方法在其第一步中包括采用至少一次研磨来调节木质纤维素生物质、从而获得尺寸为至多300mm的生物质颗粒的步骤。当然可以进行若干个连续的研磨步骤以实现目标粒度。一般来说，经研磨的生物质的粒度(最大尺寸)为至多300mm，通常为至少1mm，并且常为2-200mm。可以使用本领域技术人员已知的任何方法来实施该步骤。通常，秸秆采用5-100mm的筛网研磨。对于木材而言，其一般切削成长度为20-160mm、宽度为10-100mm、并且厚度为2-20mm的平行六面体碎片。

通过本领域技术人员已知的任何设备、特别是螺杆输送机，将经研磨的木质纤维素生物质输送至洗涤步骤(区域)。

洗涤经研磨的木质纤维素生物质的步骤b)

需要进行生物质的酸浸渍步骤以增加其在预处理步骤中的反应性。然而，在某些木质纤维素生物质(例如秸秆和芒草)的情况下，在该浸渍步骤过程中观察到酸的过度消耗。根据现有技术，这与这些生物质的碱性性质有关，这就需要过量的酸来中和构成生物质的碱性元素。

本申请人现已发现，对于酸的消耗的决定性影响不会是碱度作用，而是缓冲作用，由于乙酸或其盐(其当使经研磨的木质纤维素生物质与用于浸渍步骤的酸性水性溶液接触时通过该经研磨的木质纤维素生物质中所含有的灰分的溶解产生)的存在。

由于与酸浸渍溶液的pH(pH<3，且通常小于2)相比，乙酸的pKa高(在25℃时为4.76)，所以乙酸对pH具有缓冲作用，需要大量供应酸来使pH达到与酸性预处理步骤相适应的值(其通常为0.1-3)。

根据本发明，洗涤经研磨的生物质颗粒的步骤(步骤b)是采用水性洗涤溶液在10℃-90℃的温度下、优选在大气压下进行的。

水性洗涤溶液的pH为4-8.5，并且更优选为6-7.5。可以有利地通过在下文详细描述的浸渍步骤d)中使用的浸渍酸来酸化水性洗涤溶液。或者且优选地，任选的酸不通过外部输入加入到洗涤水中，而是来自于含有所述酸的工艺物流。在本发明的上下文中，无需将其它化合物(碱性化合物、配合化合物等)加入到步骤b)中使用的水性洗涤溶液中。水性洗涤溶液也可以仅仅是水(中性pH)。水性溶液可以是从方法再循环的含水物流。还应注意，根据本发明，洗涤步骤b)在不存在蒸气状态的水的情况下进行。

以单个步骤或以若干个并流、逆流或错流模式步骤进行洗涤的所有方法都是可以的。通过举例说明的方式，洗涤可以通过浸泡进行，例如通过由水浴转移生物质来进行，或者在水流下进行，例如通过任选设置为运动的流经生物质的水的分布来进行。

用于该步骤的水的量优选是尽可能低的，从而获得所需的作用。洗涤使用0.5-60g水/g木质纤维素生物质、优选1-30g水/g生物质、并且更优选1.5-20g水/g生物质来进行。例如，待使用的洗涤水的量可以通过生物质处理运行之前的实验室测试来确定，并且在于测量洗涤步骤后回收的用过的洗涤水(或滤液)的pH。

优选地，进行洗涤的一个或多个设备不具备加热装置，并且洗涤温度通过水性洗涤溶液的温度来控制。水性洗涤溶液的温度为25℃-95℃，并且优选为30℃-60℃，因此对于该特定的洗涤步骤其可仅在环境温度下，或者已经被加热，或者因为其至少部分地来自方法中产生的液体流出物的再循环，并且这些流出物已经在该温度范围内。

洗涤时间为1分钟至300分钟，并且优选为1分钟至60分钟，并且再更优选为1分钟至15分钟。

分离用过的洗涤水的步骤c)

方法包括将经洗涤的木质纤维素生物质颗粒与液体分离以获得木质纤维素基质的步骤，木质纤维素基质的干物质含量为15重量%-70重量%(根据标准ASTM E1756测量)，优选为25重量%-70重量%，并且更优选为40重量%-65重量%。

可以使用任何液/固分离方法，前提是考量在该步骤结束时的干物质含量。例如，固/液分离通过压滤型设备进行或通过排干法例如重力进行。

优选地，分离用过的洗涤水的步骤与通过包括通过挤压固体材料的固/液分离区域的螺杆输送机将经洗涤的木质纤维素生物质转移至浸渍步骤相伴进行。这种类型的螺杆输送机(称为“密封式螺杆进料器”或“料塞式螺杆进料器”)包括允许形成经洗涤的生物质的密封料塞的锥形压缩区域和允许排出用过的洗涤水的穿孔区域。

当在正常操作时选择进行该分离的设备不可以直接提取生物质样品时，可以通过计算来确定干物质(DM)含量：然后认为经挤压的样品中所含有的DM是入口处经洗涤的生物质的DM与挤压过程中提取的液体中存在的DM之间的差值，因此计算需要测量入口处经洗涤的生物质的质量流量和提取的液体的质量流量，以及入口处经洗涤的生物质样品的DM测量值和出口处提取的液体的样品的DM测量值(例如，根据相同的标准ASTM E1756)。按如下进行计算：令ABI为入口处生物质的重量的量，%DMBI为以入口处经洗涤的生物质的%表示的干物质含量，令ALQ为提取的液体的重量的量，并且%DMLQ为以提取的液体的%表示的干物质含量，经挤压的基质的DM含量通过应用下式由差值获得：

DM经挤压的基质＝(ABI*%DMBI－ALQ*%DMLQ)/(ABI－ALQ)

分离步骤c)因此可以提供用过的洗涤水，按照如下文参照下文详细描述的图1至图4所描述的根据本发明的处理木质纤维素生物质的方法，所述用过的洗涤水的至少一部分可以有利地用于下游步骤，特别是下游发酵步骤。可将一部分的用过的洗涤水再循环至方法的洗涤步骤b)，并且另一部分用于下游步骤中。在再循环至例如洗涤步骤b)之前，用过的洗涤水可以任选地与由方法的另外步骤产生的另外的滤液混合。

分离步骤c)可以以一个或多个步骤进行。分离步骤c)也可以在可以使洗涤和固/液分离在单一步骤中进行的设备中与洗涤步骤b)相伴进行。该设备可以是例如转鼓式过滤器或带式过滤器。

将由分离经洗涤的生物质的步骤产生的木质纤维素基质送至采用酸性液体浸渍的步骤d)。优选地，将木质纤维素基质直接送至浸渍步骤，即在浸渍步骤之前不对其进行任何其它处理。

采用酸性液体浸渍的步骤d)

根据本发明的处理方法包括采用酸性液体浸渍木质纤维素基质的步骤d)，从而获得经洗涤和浸渍的木质纤维素基质，其pH为0.1-3。该步骤目的在于制备用于预处理步骤的木质纤维素基质。

浸渍在浸渍反应器中、在10℃-90℃的温度下、并且优选在大气压下进行。优选地，浸渍在50℃-85℃的温度下进行。木质纤维素基质在浸渍反应器中的停留时间通常为10秒至180分钟，优选为30秒至60分钟，并且再更优选为30秒至15分钟。优选地，浸渍步骤以单个步骤进行。优选地，经洗涤和浸渍的木质纤维素基质的pH为0.9-2.5。

浸渍反应器或浸渍器通常配备一个或多个将木质纤维素基质从其入口转移至出口开孔的螺杆。此外，浸渍器配备有一条或多条用于输送酸性液体的管线，如果需要的话，并且还配备有一条或多条用于取出酸性液体的管线。所述酸性液体的入口和出口管线一般被安装成通过并流或逆流式再循环起作用。

酸性液体是(例如酸含量为0.5重量％-4重量％的)强酸的水性溶液，所述强酸例如选自硫酸、盐酸和硝酸。优选地，所用的酸是硫酸。

用酸性液体浸渍的木质纤维素基质上的固/液分离步骤e)

按照根据本发明的处理方法的步骤e)，对经酸性液体浸渍的木质纤维素基质进行固/液分离步骤以获得干物质含量为15重量%-70重量%的木质纤维素基质和用过的酸性液体。优选地，在通过固/液分离处理之前，首先排干经酸性液体浸渍的木质纤维素基质，以提取至少一部分的游离酸性液体。

固/液分离步骤可执行本领域技术人员已知的任何技术，例如倾析、离心或挤压。

优选地，木质纤维素基质的挤压与将其转移至预处理步骤f)相伴进行，当所述预处理步骤f)进行下文所描述的蒸汽爆破过程时。进行步骤e)的方法例如通过被称为“料塞式螺杆进料器”的螺杆来实施，其操作已在上文中描述。经挤压的木质纤维素基质料塞的形成保证了蒸汽爆破反应器的气密性，由此防止蒸汽泄漏。螺杆输送机还设有一条或多条管线，用于取出在挤压过程中分离的用过的液体(称为压出液)。可以将压出液再循环至浸渍步骤d)和/或洗涤步骤b)。

在固/液分离步骤e)结束时获得的湿生物质，其可以用术语“经洗涤和酸化的木质纤维素基质”表示，干物质含量优选为25重量％-70重量％，并且更优选为40重量%-65重量%。

将经洗涤和酸化的木质纤维素基质预处理的步骤f)

对经洗涤和酸化的木质纤维素基质进行预处理步骤f)。

作为酶水解的目标的纤维素(和任选的半纤维素)不可被酶直接接触。这就是在酶水解步骤之前对生物质进行预处理的原因。预处理特别指向改变纤维素部分的物理和物理化学性质，例如其聚合度和其结晶度状态。

各种类型的预处理是本领域技术人员已知的，其组合了化学处理和热处理。尤其可提及酸法蒸煮或碱法蒸煮、“有机溶剂(Organosolv)”方法、离子液体处理和蒸汽爆破方法。

优选的预处理方法是在酸性介质中进行的蒸汽爆破(steam explosion)(或“蒸汽爆破(SteamEx)”)。这是一种通过注入加压蒸汽使木质纤维素基质迅速达到高温的方法。通过突然减压来进行终止该处理。

蒸汽爆破方法的操作条件如下：

-将蒸汽直接注入反应器中；

-反应器的温度通常为150℃-220℃，优选为170℃-210℃，

-压力为5-25巴绝对压力，更优选为8-19巴绝对压力，

-膨胀阶段之前的停留时间为10秒至15分钟，并且优选为3分钟至12分钟。

蒸汽爆破可以以间歇或连续模式进行，并且实现生物质结构瓦解的降压步骤可以以一个或多个步骤进行。优选地，蒸汽爆破连续地进行。

在蒸汽爆破预处理步骤结束时，获得了具有高干物质含量(通常为20重量%-70重量%，并且一般为35重量%-65重量%)的经预处理的木质纤维素基质以及随后被冷凝的蒸汽相。

因此，根据本发明的步骤a)至步骤f)的实施可以生产反应性的经预处理的基质和用过的生物质洗涤水。还已经证明，与现有技术的方法、特别是与使用了将在步骤e)中提取的浸渍液体再循环到浸渍步骤d)的方法相比，根据本发明的方法产生贫矿物质的经预处理的基质。这些矿物质是从产生自根据本发明的方法的步骤c)的用过的洗涤水中提取的。

在本发明的上下文中，将在根据本发明的处理方法的步骤f)结束时获得的经预处理的木质纤维素基质有利地用作由木质纤维素生物质生产溶剂和/或醇的“第二代”方法中的原料，该方法根据上述连续的步骤继续处理生物质。

在酸性条件下进行蒸汽爆破之后，经预处理的木质纤维素基质的pH通常低于与酶水解介质相适应的pH。因此，对根据预处理步骤f)处理的木质纤维素基质进行中和步骤，以使其pH达到4-6的值。

对于中和步骤，使用含有中和剂的水性溶液，所述中和剂可以选自本领域技术人员已知的所有弱碱或强碱。术语碱表示任何化学物类，当将其加入水中时，产生pH大于7的水性溶液。优选地，中和剂选自氢氧化钾、氢氧化钠、氨水和石灰。再更优选地，中和剂选自氢氧化钾和氨水，单独或互相组合的。优选地，中和剂以水性溶液使用，其中重量浓度为2％-75％，并且再更优选为 15％-50％。

中和在15℃-95℃、并且优选20℃-70℃的温度下进行。通常，中和步骤的温度不是精确控制的，而是通过由酸碱中和反应放出的热量简单控制。

中和步骤可以连续地、以间歇模式或以间歇进料模式进行。

应当注意的是，洗涤步骤可以有利地在中和步骤之前或之后对全部或部分的经预处理的木质纤维素基质进行。

如果采用洗涤，则使液体物流与经预处理的木质纤维素基质接触，然后将液体与固体分离。洗涤步骤可以通过渗滤、通过连续混合和液体/固体分离操作、通过在带式过滤器上洗涤、或通过本领域技术人员已知的任何其它技术来进行。所用的洗涤液体可以是水或工艺物流。添加的洗涤液体与待洗涤的基质中所含液体之间的重量比一般为0.5-4。洗涤步骤产生含糖洗涤液体，其含有一部分的在预处理过程中溶解的半纤维素。该洗涤液体可以例如用作生产生物催化剂(酶和/或微生物)的碳源。洗涤步骤通常在10℃-95℃、并且优选30℃-70℃的温度下进行。在一个优选的实施方案中，洗涤物流至少部分地由产生自经洗涤的生物质上的固/液分离步骤c)的用过的洗涤水组成。

酶水解步骤g)

将经任选进行中和和洗涤的经预处理的木质纤维素基质送至方法的酶水解步骤g)。

送至酶水解步骤的经预处理的木质纤维素基质的干物质含量一般为15重量％-70重量％。

酶水解的目的是通过生物催化剂将半纤维素和纤维素水解(解聚)成可发酵的糖，优选葡萄糖。

酶水解步骤是在温和的条件下、即在40℃-55℃、优选45℃-50℃的温度以及4.0-5.5、并且再更优选4.8-5.2的pH下进行的。酶水解介质的干物质含量为5重量％-45重量％，优选为10重量％-30重量％。酶水解是借助于通过微生物产生的酶进行的。

可使用天然或经基因修饰的微生物，例如木霉属真菌、曲霉属真菌、青霉属真菌、或裂褶菌属真菌，或以下的厌氧细菌，例如梭菌属的厌氧细菌，产生(特别是含有纤维素酶和半纤维素酶的)酶混合剂，适合于纤维素和半纤维素的深度水解。

酶水解可以在一个或多个反应器中连续地、或以间歇模式、或以连续进料(间歇进料)模式进行。停留时间为12小时至200小时，并且优选为24小时至160小时，并且再更优选为48小时至120小时。

在步骤g)结束时，从生物反应器中回收含有可发酵糖的水解产物，然后在发酵步骤h)中处理该水解产物。

应当注意的是，所获得的水解产物在发酵步骤之前可以任选地经历一个或多个处理步骤。例如，这些处理步骤可为恢复pH、部分纯化以限制用于发酵微生物的抑制剂化合物的含量、或至少部分地分离水解产物中含有的固体残渣。

水解产物的发酵步骤h)

根据生产溶剂和/或醇的方法的步骤h)，将经任选处理的水解产物送至能够借助于不同属的一种或多种微生物将可发酵糖转化为感兴趣的溶剂和/或醇的发酵步骤h)。发酵方法是本领域技术人员已知的并被特别描述在文献US 8,456,633中。

术语“溶剂”旨在表示除醇之外的有机化合物，例如具有酮官能团的有机化合物，例如丙酮。

术语“醇”表示特别是乙醇、丙醇、异丙醇和丁醇。

天然或经基因修饰的微生物可以选自例如酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)、葡萄汁酵母(Saccharomyces uvarum)、糖化酵母(Saccharomyces diastaticus)、脆壁克鲁维酵母(Kluyveromyces fragilis)、休哈塔假丝酵母(Candida shehatae)、树干毕赤酵母(Pichia stipitis)、嗜鞣管囊酵母(Pachysolen tannophilus)、或细菌运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)、丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum)、大肠杆菌(Escherichia coli.)。

在本发明的上下文中，发酵步骤可以例如单独地生产乙醇或将乙醇作为与丁醇、丙醇、异丙醇和/或丙酮的混合物生产。例如，发酵微生物可以能够生产“ABE(丙酮-丁醇-乙醇)”混合物或“IBE(异丙醇-丁醇-乙醇)”混合物。

优选地，所选的微生物是能够生产乙醇的天然或经基因修饰的酵母属酵母菌。

在步骤h)结束时，回收稀释在感兴趣的产物中的发酵液。

根据方法的一个实施方案，步骤g)和步骤h)在至少一个且相同的生物反应器中同步进行，从而使酶水解和发酵根据用术语“同步糖化和发酵(SSF)”或“同步糖化和共发酵”(SSCF)表示的方法同时进行，当所用微生物能够共同同化C5糖和C6糖(例如葡萄糖和木糖)时。当水解步骤与发酵步骤合并时，可以调节操作条件、特别是温度条件以与发酵微生物的耐受性相适应。例如，当采用酵母属酵母菌进行发酵时，温度可以降至28℃-45℃，并且优选30℃-35℃。为了促进酵母菌的性能，优选将pH调节至5-5.5。

在本发明的上下文中，有利地将在分离生物质之后在洗涤步骤b)中回收的用过的洗涤水至少部分地用于发酵步骤h)中。

为此，可以将产生自步骤c)的用过的洗涤水直接引入发酵步骤h)中、或引入酶水解步骤g)中、或甚至引入酶水解之前的中和步骤(当提供时)中。因此，然后将用过的洗涤水部分地与被送至发酵的由水解产生的物流一起转移。

在发酵中使用一部分的用过的洗涤水可以恢复存在于天然生物质中的在步骤b)的洗涤过程中被除去的矿物质的一部分用于该步骤。这些矿物质对发酵步骤中使用的微生物的生长具有有益的影响。特别是，这些矿物质对酵母属酵母菌的生长具有有益的影响。

除了已经描述的工厂之外，实施根据本发明的方法的生产单元可包括用于原位生产酶和/或酵母菌的单元。对于这类单元，可以将用过的洗涤水的至少一部分送至这些酶和/或酵母菌生产单元，以重新使用含有在其中的矿物质。在这样的再循环之前，可以将用过的洗涤水解毒，以从中除去抑制微生物的化合物，和/或关于pH进行重新调节。

生产生物催化剂的步骤要求提供可以供应构成微生物的元素的基质。这些元素主要是碳、氧、氢，然后其次是氮、磷和硫。最后，矿物质也少量存在于微生物中。因此，当微生物的细胞增殖时，它们会从它们的培养基中吸取并入其组成中的所有元素。生产生物催化剂的步骤通常在含有可同化碳分子(例如糖)的基质上、并且在搅拌和曝气式反应器中进行，空气可以供应氧。此外，必须在适当位置设置补充以确保诸如氮、磷、硫和矿物质的其它元素的供应。特别是，矿物质可为昂贵引入的元素，即使所涉及的量少。在本领域技术人员已知的配置中，由产生自方法的含糖液液体原位生产生物转化过程所需的微生物。或者通过洗涤由预处理步骤f)产生的经预处理的基质、或者通过固/液分离(任选地与在酶水解步骤g)之后进行的洗涤相结合)来提取这些含糖液体。

从发酵液中分离出溶剂和/或醇的步骤i)

根据本发明的方法可以最终地包括从发酵液中分离出一种或多种感兴趣的产物的步骤i)，任选地在固/液分离步骤之后进行，以除去含有在发酵液中的固体物质的至少一部分。

优选地，根据本领域技术人员公知的技术，分离出一种或多种感兴趣的产物(例如乙醇)的步骤使用一次或多次蒸馏。

阅读本发明的特别示例性实施方案的描述(仅以举例说明的方式给出)，并参考上述图1至图7，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。

在图1中，经研磨的木质纤维素生物质颗粒通过管线1进入洗涤区域2以进行洗涤步骤b)。借助于经由管线3供应的洗涤水(pH为4-8.5的水)进行根据本发明的洗涤。可以任选地分离(例如通过排干并经由管线4回收来分离)出对应于游离的用过的洗涤水的第一滤液。

然后对经洗涤的木质纤维素生物质进行固/液分离步骤c)(分离区域5)，其优选地进行湿浆料的挤压。优选地，该固/液分离与将经洗涤的木质纤维素生物质转移至浸渍区域6以进行方法的步骤d)相伴进行。固/液分离产生通过管线7提取的用过的洗涤水和经洗涤的木质纤维素基质，所述经洗涤的木质纤维素基质的干物质含量为15重量％-70重量％。在图1的实施方案中，将来自管线4和管线7的用过的洗涤水任选地混合以便经由管线25再循环至洗涤步骤。优选地，将由分离c)产生的用过的洗涤水的仅部分任选地再循环至洗涤步骤b)，并且将用过的洗涤水的全部或部分用于借助于后图描述的预处理下游步骤中。

然后将经洗涤的木质纤维素基质送至浸渍区域6，在其中进行采用经由管线8供应的酸性液体浸渍的步骤d)。浸渍在浸渍反应器中、在10℃-90℃的温度下、并且优选在大气压下进行。木质纤维素基质在浸渍反应器中的停留时间通常为10秒至180分钟，优选为30秒至60分钟，并且再更优选为30秒至15分钟。优选地，浸渍步骤以单个步骤进行，其中干物质含量为1％-30％。

将从浸渍区域6中取出的经洗涤和浸渍的木质纤维素基质转移至固/液分离区域10，从而分离出用过的酸性液体(经由管线9)和被送至预处理步骤的经洗涤和酸化的木质纤维素基质。固/液分离优选进行挤压，该挤压与将经洗涤和浸渍的木质纤维素基质输送(例如借助于“料塞式螺杆进料器”类型的螺杆)至预处理单元11相伴进行。将用过的酸性液体(或由挤压产生的压出液)在管线9中回收并任选地再循环至浸渍区域6。采用酸性液体浸渍可以获得干物质含量通常为15重量%-70重量%、并且pH为0.1-3的产物。

图1所示的预处理单元11执行蒸汽爆破方法。因此，蒸汽通过管线12供应，而膨胀的蒸汽通过管线13取出并且通常被冷凝以提供酸性冷凝物。

优选地且如图1所示，经预处理的木质纤维素基质在中和区域14中被中和，中和区域14通过管线15采用中和溶液(例如碱性溶液)来供给。

然后在通过管线16a供应的酶混合剂的存在下、在区域16中对经中和的基质进行酶水解，所述酶混合剂适合于水解，特别是将纤维素水解成可发酵的糖(主要是葡萄糖)。

在发酵区域17中、在发酵步骤中处理酶水解的产物(称为水解产物)，从而在通过管线17a提供的发酵微生物的存在下将糖转化为感兴趣的产物，例如溶剂和/或醇。在微生物的存在下进行的发酵步骤可以是主要生产乙醇的乙醇发酵、ABE型发酵或IBE型发酵。

应当注意，酶水解步骤和发酵步骤可以按照本领域技术人员已知的由术语“同步糖化和发酵(SSF)”表示的方法相伴进行。

对在发酵罐的出口处回收的发酵液进行处理，以分离出感兴趣的产物。通常，发酵产物的回收是通过借助于塔18的蒸馏以本领域技术人员已知的方式进行的。从塔18中取出已将感兴趣的产物浓缩的物流19和酒糟(vinasse)20。

图2表示处理木质纤维素生物质的方法的示意图，其中示出了除了通过管线3输送的外部洗涤水物流之外的可以被再循环至生物质洗涤步骤b)和分离步骤c)的物流。

如图2所示，在预处理11之前可以将由在区域10中进行的固/液分离产生的用过的酸性液体9的一部分21再循环，将另一部分22排出或送回至在区域6中进行的浸渍步骤。

洗涤步骤还可以使用由预处理11产生的酸性冷凝物13的一部分23，而将冷凝物的另一部分24排出。当设想冷凝物的这种再循环时，可以对其进行纯化，特别是为了在将其再循环至洗涤步骤之前限制糠醛化合物和乙酸的含量。

如前所述，可以经由管线25将产生自区域5的分离步骤的用过的洗涤水7的至少一部分再循环。

所描述的各种再循环方法当然可以相互组合。当提供将酸性流出物再循环以形成来自步骤b)的水性洗涤溶液的一部分时，调节所述酸性流出物的贡献以使得水性溶液保持在期望的pH(至少4，并且特别是至少6)。

与图1类似的图3和图4示出了由木质纤维素生物质生产溶剂和/或醇的方法的示意图，该方法包括生物质洗涤步骤b)，其中不仅将用过的洗涤水再循环至洗涤步骤，而且还有利地将其完全或部分地用于下游步骤中。

实际上，这种非常富含矿物质(灰分)的用过的洗涤水可以有利地用作微生物和酵母菌的营养物质源。

洗涤水的pH为4-8.5。因此，取决于pH，如果此水旨在用于生产酶或酵母菌、或用于补充酶水解或发酵培养基，则在需要的情况下建议进行中和。

图3还示出了经由管线4和/或管线7取出的用过的洗涤水的各种可能的应用。可以将全部或部分的用过的洗涤水7(和/或4)送至任选的处理步骤30，例如pH调节和/或解毒处理步骤。可以将来自处理步骤30的用过的洗涤水或流出物经由管线31送至经预处理的木质纤维素基质的中和步骤14、经由管线32送至区域16的酶水解步骤、和/或经由管线33送至发酵步骤17。

图4图示说明了当生产酶和/或酵母菌的步骤被并入生物质处理方法中时，在所述步骤中使用由分离步骤c)产生的用过的洗涤水的选项。图4还表示了可以将用过的洗涤水(部分或全部地)再循环至经预处理的木质纤维素基质的任选的洗涤步骤，该洗涤步骤可以在经预处理的木质纤维素基质的中和步骤之前或之后。

应当注意的是，来自图4的方法组合了两种类型的再循环(酶和/或酵母菌的生产以及任选的洗涤步骤)。然而，在本发明的上下文中，完全可以进行两种再循环类型中的仅一种。

参照图4，在区域14的中和步骤之前，将经预处理的木质纤维素基质送至在区域40中进行的洗涤步骤(相对于图3是附加步骤)。洗涤水通过管线41供应。经由管线42回收含有可溶性糖和其它成分的液体。

这种富含糖的液体可以用于在区域44中生产酶和/或在区域45中生产酵母菌。所生产的酶和酵母菌分别经由管线46和管线47加入到区域16中的酶水解步骤和区域17中的发酵步骤。

可以将用过的洗涤水7(任选地，对于洗涤水4情况也是如此)在任选的处理步骤30(解毒和/或中和)中处理，并且经由管线43和管线48全部或部分地送至经预处理的木质纤维素基质的洗涤步骤40，作为管线41的洗涤水的补充或替代。也可以将用过的洗涤水7(以及任选还有洗涤水4)经由管线49送至酶生产单元44和/或经由管线50送至酵母菌生产单元45。洗涤水4和洗涤水7可以在任选的处理步骤30之前或之后混合。用过的洗涤水7的任选不被再循环的部分可以通过管线26排出。

因此可以将由本发明的洗涤和分离b)+c)产生的洗涤水7(和4)在预处理之后的方法的若干个阶段处和/或在酶和/或酵母菌的生产过程中重新引入，并且任选地也部分地再循环用于洗涤步骤b)。这种选择取决于工厂的类型(并入或未并入的酶和酵母菌的生产)、生物质的类型等，并且因此可以从一个生产周期变动到另一个生产周期或在同一个周期内变动。

根据一个实施方案，中和步骤与酶水解步骤在同一个单元中进行。

总之，木质纤维素生物质洗涤步骤的执行具有减少浸渍所需酸量的优势。因此，这种减少可以限制用于经预处理的木质纤维素基质的中和步骤的碱性化合物的加入，这同时减少了形成的盐的量。然而，这些盐(特别是硫酸盐)极大地限制了物流的再循环，尤其是在存在微生物的情况下。

在产生洗涤水pH被缓冲并随后被再循环的洗涤水的情况下操作费用方面节省，同时避免对微生物和酶的工作以及对酵母菌的生存有害的pH冲击。根据不同的工厂配置，用过的洗涤水的再利用非常灵活地实施，并且赋予了在预处理下游的方法的非常具体步骤真正的优势。

实施例

实施例1：测定根据现有技术和根据本发明制备的液体中的残留酸度。

新鲜液体的制备：

通过将4.6g的浓缩至72重量％H₂SO₄的H₂SO₄溶液与水混合来制备600.2g的酸性溶液。将由此获得的酸性液体称为“液体L1”。

获得用过的浸渍液体(对比)：

将247.3g的上述液体加热至60℃，并且随后与30g的经研磨的秸秆接触约180分钟的时间段，经研磨的秸秆的干物质(DM)含量为92.4%。因此，该浸渍以10重量％的干物质(DM)含量、采用4.9g H₂SO₄/100g DM的H₂SO₄供应进行。在接触结束时，注意到浸渍过程中的重量损失为20.6g。然后挤压经酸浸渍的生物质，产生90g的湿饼和156.5g的用过的浸渍液体(称为“液体L2”)。

用过的浸渍液体(根据本发明)：

将相同的经研磨的秸秆(30g)与60℃的水接触3分钟，模拟生物质的洗涤。该混合物中的干物质(DM)含量为10重量%。然后通过挤压分离介质以回收经洗涤的秸秆和用过的洗涤水(滤液)。注意到实验损失：与水接触过程中的损失小于0.02%，并且分离过程中的损失约为5重量%，与实验装置有关(2.2%，基于DM)。

下表1给出了制备经水洗涤的秸秆的实验数据：

未加工秸秆的干物质含量(重量%)	92.4
		经洗涤的未加工秸秆的重量(g)	30.0
60℃下水的重量(g)	250.5
		洗涤前的混合物的干物质含量(重量%)	9.9
lab T℃下水的pH	23℃下为7.40
		60℃下水的pH	58℃下为7.63
洗涤时间	3分钟
		洗涤前的总重量(g)	280.5
挤压前的总重量(g)	280.2
		挤压后的固体重量(g)	74.8
经挤压的固体的干物质含量(重量%)	34.3
		挤压后水的重量(g)	191.2
挤压后水的干物质含量(重量%)	0.77
		挤压后水的pH(-)	34℃下为6.96

使50.1g的如上所述洗涤的DM含量为34.3％的秸秆与121.7g的含有0.70重量％H₂SO₄的酸性液体接触180分钟。因此，该浸渍以10重量％的干物质(DM)、并且采用4.96gH₂SO₄/100gDM的H₂SO₄供应进行。在接触结束时，注意到浸渍过程中的重量损失为24.8g。然后挤压经洗涤和酸浸渍的生物质以获得57.9g的湿饼和73.1g的用过的酸浸渍液体(其称为“液体L3”)。

通过监测随着加入的碱性溶液体积的变化而变的pH变化来测定这3种液体的酸度。所用的碱性溶液是0.1N NaOH溶液。图5示出了对于每种液体获得的滴定曲线，其中x轴是以ml/ml样品计的0.1N NaOH溶液的量，并且y轴是pH。

注意到浸渍步骤导致液体L1的酸度损失。在浸渍过程中，在根据本发明的洗涤之后，看出了，对于引入了相似特定量的酸性催化剂，回收的用过的液体L3具有比用过的液体L2更高的酸度。因此，由于根据本发明在浸渍之前实施洗涤，生物质对酸度的“消耗”减少。

实施例2：重新调节pH以将根据现有技术和根据本发明制备的液体再循环

将来自实施例1的经研磨的秸秆与60℃的水接触60分钟。该混合物中的DM含量为10重量％。然后通过固/液分离来分离介质，可以回收经洗涤的秸秆和洗涤水(滤液)。实验损失在浸泡过程中(最有可能通过蒸发)接近12重量%损失，并且在分离过程中约3重量%损失，与实验装置有关。制备物的DM余量为其本身96.6%。

下表2给出了制备经水洗涤的秸秆的实验数据：

未加工秸秆的干物质含量(重量%)	92.4
		经洗涤的未加工秸秆的重量(g)	30.0
60℃下水的重量(g)	251.0
		洗涤前的混合物的DM含量(重量%)	9.9
lab T℃下水的pH	23℃下为7.38
		60℃下水的pH	57℃下为7.35
洗涤时间	60分钟
		挤压后的固体重量(g)	85.2
经挤压的固体的DM含量(重量%)	29.4
		挤压后水的重量(g)	156.6
挤压后水的DM含量(重量%)	1.1
		挤压后水的pH(-)	20℃下为7.16

将50.1g的如上所述洗涤的DM含量为29.4％的秸秆与97.1g的含有0.75重量％H₂SO₄的酸性液体接触180分钟。因此，该浸渍以10重量％的DM、并且采用4.93g H₂SO₄/100gDM的H₂SO₄量进行。然后挤压该混合物，可以获得67.2g的湿饼和48.6g的用过的酸浸渍液体“液体L4”。

通过加入0.05M H₂SO₄溶液，将用过的液体L2和L4的pH重新调节至1.2的目标值。随加入体积而变的pH变化如图6所示，其中x轴是每ml样品的0.05M H₂SO₄溶液的ml数值。

根据本发明制备的用过的液体(液体L4)比在未洗涤的生物质的浸渍之后获得的用过的液体(液体L2)需要更少量的酸，从而降低其pH，特别是为了将其再循环。

因此，为了将用过的液体的pH调节至pH 1.2，对于用过的液体L4，需要加入3.8mg硫酸/ml样品，并且对于用过的液体L2，需要加入5.3 g/ml样品，即硫酸消耗增加了28%。

实施例3：在工序浸渍和预处理步骤(现有技术)之前和之后的生物质分析

将2017年收获的小麦秸秆研磨，并在研磨后进行分析。这批秸秆A的矿物质铜、锌、镁和锰的含量报道在下表3中，以mg元素/kg秸秆干料表示：

分析样品		天然秸秆A
			干物质含量	重量% /未加工料	92%
铜	mg Cu / kg干料	2
			锌	mg Zn / kg干料	4
镁	mg Mg / kg干料	778
			锰	mg Mn / kg干料	34

然后按照现有技术的方法对这种经研磨的秸秆进行预处理：在蒸汽爆破之前进行酸浸渍，其中将用过的浸渍液体全部再循环。因此，将经研磨的秸秆借助于料塞式螺杆型螺杆输送到浸渍设备中。秸秆吞吐量为2820kg/小时，即2600kg干料/小时。使其在酸性液体床中膨胀并被垂直输送至浸渍设备中，从所述浸渍设备中形成浸渍液体饱和的秸秆。酸性液体罐用于制备以下液体，该液体连续地进料浸渍设备以更新库存并保持水平恒定。然后将这种经浸渍的秸秆输送至蒸汽爆破设备中。借助于料塞式螺杆型螺杆将它引入该设备中。在螺杆中对经浸渍的秸秆进行压缩的过程中，将用过的液体(称为压出液)排出。将该液体全部再循环至酸性液体制备罐。该酸性液体制备罐还采用水和硫酸H₂SO₄来供给，以补偿随秸秆输出到蒸汽爆破设备的液体部分的损失。

在反应器中经过短暂的蒸煮后，使经浸渍和蒸煮的秸秆在反应器出口处膨胀。由固体、液体和蒸汽组成的混合物在旋风分离器中分离，从而使蒸汽与固/液混合物分离。这种固/液混合物构成了经预处理的秸秆。应用于浸渍和蒸汽爆破的条件是：

-浓缩酸溶液的流速：平均116kg/h

-水的流速：3900kg/h

-浸渍时间：1分钟30

-蒸煮停留时间：5分钟

-蒸汽供应：100%在顶部

-再循环的压出液：100%

酸性溶液的平均流速如上所述，关于该平均流速的波动为约15%-20%(最小88 kg/h，最大130 kg/h)。

对经预处理的秸秆样品进行分析。经预处理的秸秆的矿物质铜、锌、镁和锰的含量报道在下表4中，以mg元素/kg经预处理的秸秆干料表示。

与天然秸秆相比，铜、锌和镁含量被认为是稳定的，锰含量降低了30%。

分析样品		经预处理的秸秆A
			干物质含量	重量% /未加工料	38%
铜	mg Cu / kg干料	3
			锌	mg Zn / kg干料	6
镁	mg Mg / kg干料	706
			锰	mg Mn / kg干料	24

实施例4：在工序洗涤、浸渍和预处理步骤(根据本发明)之前和之后的生物质分析

将2013年收获的小麦秸秆研磨，并随后在研磨后进行分析。这批秸秆B的矿物质铜、锌、镁和锰的含量报道在下表5中，以mg元素/kg秸秆干料表示：

分析样品		天然秸秆B
			干物质含量	重量% /未加工料	89%
铜	mg Cu / kg干料	2
			锌	mg Zn / kg干料	4
镁	mg Mg / kg干料	760
			锰	mg Mn / kg干料	35

然后按照根据本发明的方法对该经研磨的秸秆进行预处理：用水性溶液洗涤生物质，然后酸浸渍，接着蒸汽爆破，其中将用过的浸渍液体全部再循环。

因此，将经研磨的秸秆输送至第一洗涤步骤。秸秆吞吐量为2920 kg/小时，即2600kg干料/小时。在该步骤中，使经研磨的秸秆在旋转设备中与pH为5的水性溶液接触8分钟的时间段，允许同时洗涤和排出秸秆。此处，洗涤步骤b)和液/固分离步骤c)在同一设备中进行。从旋转设备中提取第一洗涤物流并将排出的秸秆输送到随后的浸渍步骤。借助于料塞式螺杆型螺杆将它引入浸渍设备中。由于排出的秸秆的高水分含量，在该螺杆中的压缩产生第二洗涤物流：因此这里在两次操作中都存在根据步骤c)的分离。在这种固/液分离之后，秸秆的干物质含量为55%。使秸秆在酸性液体床中膨胀并被垂直输送至浸渍设备中，从浸渍设备中形成浸渍液体饱和的秸秆。酸性液体罐用于制备液体，该液体连续地进料浸渍设备以更新库存并保持水平恒定。然后将这种经浸渍的秸秆输送至蒸汽爆破设备。借助于料塞式螺杆型螺杆将它引入该设备中。在螺杆中对经浸渍的秸秆进行压缩的过程中，将用过的液体(称为压出液)排出。将该液体的95%的质量流量再循环至酸性液体制备罐，并且将剩余的5%供给水性洗涤溶液制备罐。该酸性液体制备罐还采用水和硫酸H₂SO₄来供给，以补偿随秸秆输出到蒸汽爆破设备的液体部分的损失。水性洗涤溶液制备罐采用用过的液体和水来供给。

在反应器中经过短暂的蒸煮时间之后，使经浸渍和蒸煮的秸秆在反应器出口处膨胀。由固体、液体和蒸汽组成的混合物在旋风分离器中分离，允许使蒸汽与固/液混合物分离。这种固/液混合物构成了经预处理的秸秆。

将应用于洗涤的条件选择成接近稀释静态浸渍的条件(即秸秆中的8%DM)：

-水性洗涤溶液的流速：平均29 500kg/h

-水的流速：29 100kg/h

-接触时间：8分钟

应用于浸渍和蒸汽爆破的条件是：

-浓缩酸溶液的流速：平均65kg/h

-水的流速：1590kg/h

-浸渍时间：1分钟30

-蒸煮停留时间：5分钟

-蒸汽供应：100%在顶部

-再循环的压出液： 95%用于酸性液体的制备，并且5%用于水性溶液

报告了酸性溶液的平均流速，关于该平均流速的波动为10%(最小58 kg/h，最大72kg/h)。

对经预处理的秸秆样品进行分析。在下表6中报道了根据本发明经洗涤随后预处理的秸秆的矿物质铜、锌、镁和锰的含量，以mg元素/kg经预处理的秸秆干料表示。

分析样品		经洗涤随后预处理的秸秆B
			干物质含量	重量% /未加工料	38%
铜	mg Cu / kg干料	1
			锌	mg Zn / kg干料	< 1.5
镁	mg Mg / kg干料	43
			锰	mg Mn / kg干料	19

与天然秸秆相比，铜、锌、镁和锰的含量由于这些矿物质被泄露到用过的洗涤水中而得到很大的降低。特别地，最初存在于天然秸秆中的多于90%的镁不再存在于按照根据本发明的方法洗涤并预处理的秸秆中。

因此，相对于消耗的平均流量，根据本发明在浸渍之前实施洗涤使得减少了44％的酸消耗并改善了该消耗的稳定性。因此，该实施例证明了酸消耗的改善和矿物质泄露到用过的洗涤水中二者。

实施例5：证明矿物质对酵母菌型微生物生长的有益影响

将根据实施例4生产的经洗涤和预处理的秸秆样品用于实验室工作。首先，对该样品进行固/液提取以从中提取含有65g/kg的葡萄糖和木糖的糖的含糖液体。

然后将该液体用作实验室酵母菌繁殖试验的基质。试验在总容积为250ml的带挡板的烧瓶中进行，其配套有允许空气通过的纤维素塞并被放置在振动台上。用于全部试验的温度和pH都在相同的设定点上进行调节。为被提取的液体补充以下：

-对于试验1，采用2.5g/kg的磷酸氢二铵和2g/kg的尿素

-对于试验2，采用2.5g/kg的磷酸氢二铵、2g/kg的尿素和2g/kg的矿物质混合剂

矿物质混合剂的组成在下表7中给出：

化合物	浓度g/kg
		MgSO<sub>4</sub>.7H<sub>2</sub>O	370
CuSO<sub>4</sub>.2H<sub>2</sub>O	0.15
		MnCl<sub>2</sub>.4H<sub>2</sub>O	0.30
ZnSO<sub>4</sub>.7H<sub>2</sub>O	1.0

经过补充和设定pH之后，除了葡萄糖的自然同化之外，采用经基因修饰的酿酒酵母型的酵母菌来接种液体以同化木糖(C5糖)。在试验中以相同的含量进行接种，并且通过测量试验过程中的吸光度(600nm处的OD)以及通过在试验的最后时间测量样品中的不溶物来进行对细胞生长的监测。图7示出了对于随以小时表示的时间而变的吸光度A的监测，对于试验1，其用正方形表示，并且对于试验2，其用三角形表示。

试验1的最终酵母菌含量为13.3g/kg对比试验2的17g/kg。因此证明了矿物质对这种酵母属型酵母菌的生长的有益影响。