從木糖產(chǎn)生糖醛的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明所描述的是用于從選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的一種或多種物質產(chǎn)生糖醛的方法。
【專利說明】從木糖產(chǎn)生糖醛
[0001] 本發(fā)明涉及用于從一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物 質產(chǎn)生糖醛的方法。
[0002] 糖醛是將糖醛用作呋喃和呋喃衍生物前體的化學工業(yè)中重要的關鍵物質。糖醛還 用于通過糖醛與甲醛、酚、丙酮或尿素的縮合反應產(chǎn)生樹脂。此外，糖醛用作或用于產(chǎn)生溶 劑、硫化增強劑、殺蟲劑、殺真菌劑、殺菌劑及用于其他目的。
[0003] 由于礦物原料供應的有限本質和不穩(wěn)定性及環(huán)境原因，用非礦物原料（即從可再 生資源獲得的原料)代替礦物原料變得越來越重要。用于產(chǎn)生糖醛的非礦物原料的一個潛 在來源是源自含纖維素生物量的物質，選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的。在 優(yōu)選實施方案中，術語"含纖維素生物量"在本申請通篇中指含有a)纖維素以及b) -種或多 種選自聚糖類(polyose)和其他木糖單位來源的物質的生物量。例如，典型的木素纖維素是 可作為木糖單位來源的含纖維素生物量。
[0004]木糖是也稱為木材糖(wood sugar)的單糖，其屬于戊糖類。包含木糖單位的寡糖 和多糖通常存在于植物中，尤其是植物的木質部分中、麥桿中及幾種植物的種子或種殼中。 由木糖單位組成的寡糖和多糖通常稱為木聚糖。由木糖單位和其他單糖單位組成的寡糖和 多糖通常稱為雜木聚糖(heteroxylan)。木聚糖和雜木聚糖屬于聚糖類。聚糖(之前也稱為 半纖維素)是多糖，其在植物生物量中通常存在于復合材料中，其中該聚糖和木素摻入在纖 維素纖維之間。包含纖維素、聚糖和木素的干燥植物生物量(水分含量低于15wt%)在上下 文中也稱為木素纖維素。
[0005] 用于從一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質產(chǎn)生糖醛 的方法為本領域已知。為了最大化糖醛產(chǎn)率和選擇性，許多這些方法依賴反應萃取技術。
[0006] US 4,533,743 A1公開了含有戊糖(例如木糖)和無機酸(例如硫酸或鹽酸）的水溶 液在220°C和300°C之間的溫度下在活塞流反應器中反應的方法。優(yōu)選兩相運行，其中向反 應器加入溶劑，并通過蒸餾從溶劑回收糖醛。
[0007] US 7,572,925 B2公開了制備呋喃衍生化合物(例如糖醛）的方法。在包含含有反 應水溶液和基本不混溶的有機萃取溶液的雙相反應介質的反應容器中，在酸催化劑(例如 無機酸，如硫酸或鹽酸)存在下脫水含有糖類(例如木糖)的原料溶液。呋喃衍生物萃取入有 機萃取溶液。反應水溶液和/或有機萃取溶液包含至少一種改性劑，以改善方法的選擇性來 產(chǎn)生呋喃衍生化合物。優(yōu)選地，反應水溶液進一步包含至少一種鹽，從而產(chǎn)生鹽水反應水溶 液。
[0008] W0 2012/088208 A2描述了用于產(chǎn)生糖醛的方法，其包括以下步驟：（a)提供包含 不可發(fā)酵的分支糖(例如木糖）的釜餾物或糖漿；（b)使釜餾物或糖漿與水接觸形成混合物； (c)用酸催化劑酸化步驟(b)中形成的混合物至pH 1或更低；（d)按足以將不可發(fā)酵的分支 糖轉變?yōu)樘侨┑臏囟群蜁r間加熱步驟(c)中形成的混合物；（e)可選地回收由此產(chǎn)生的糖 醛。優(yōu)選地，該方法進一步包括使步驟(c)中形成的混合物與至少一種水不混溶的有機溶劑 在適于形成包含水相和含糖醛有機相的混合物的反應條件下接觸，該回收糖醛的步驟(e) 優(yōu)選包括分離有機相和蒸發(fā)有機溶劑。
[0009] 通常，在本領域已知的方法中，通常與苛刻處理條件如220°C或更高的溫度組合， 用腐蝕性化學藥品如強酸(尤其是硫酸)或氧化劑如硝酸處理選自木糖、含木糖單位寡糖和 含木糖單位多糖的物質。由于安全性、環(huán)境保護的原因，以及為了緩和就耐腐蝕性和耐熱性 而言對處理設備的要求，通常希望避免或至少減少使用腐蝕性化學藥品和苛刻處理條件。 此外，腐蝕性化學藥品以及高溫可以誘導不希望的副反應超過希望的向糖醛的轉變。根據(jù) 我們自己的實驗，這尤其適用于硫酸，硫酸常用于產(chǎn)生選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖 單位多糖的糖醛物質的現(xiàn)有技術方法。硫酸可以作為氧化劑和/或作為脫水劑發(fā)揮作用，因 此不希望得到的副產(chǎn)物通常通過焦化和/或硫酸化形成。這類副產(chǎn)物的形成轉而導致朝向 糖醛的方法的產(chǎn)率和選擇性降低，反應混合物和反應設備污染（即通過形成不可溶沉積 物)。
[0010] 因此，本發(fā)明的目的是提供用于從一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木 糖單位多糖的物質產(chǎn)生糖醛的方法，其允許減少或甚至避免使用腐蝕性化學藥品如硫酸， 且允許緩和現(xiàn)有技術方法的前述劣勢中的一些或全部。
[0011] 通過本發(fā)明的用于產(chǎn)生糖醛的方法來達到這些及其他目的。該方法包括以下步 驟：
[0012] -提供包含以下的水性原料混合物：
[0013] (i)-種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質；
[0014] (?)甲磺酸；
[0015] -使該水性原料混合物與包含一種或多種有機溶劑的萃取液接觸，其中該一種或 多種溶劑：
[0016] -具有比該水性原料混合物高的糖醛溶解度;和
[0017] -這樣選擇，使得在使該水性原料混合物與該萃取液接觸時形成兩個分開的液相， 其中第一液相中水的濃度高于該有機溶劑的濃度，第二液相中該有機溶劑的濃度高于水的 濃度；
[0018] 其中該水性原料混合物進一步按足以降低糖醛在水性原料混合物中的溶解度的 濃度包含一種或多種鹽（iii)，和/或在使該水性原料混合物與該萃取液接觸后加入該鹽 (iii);
[0019] -在使該水性原料混合物與該萃取液接觸的同時對其進行熱處理，使得該一種或 多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質反應為從該水性原料混合物萃取 入該萃取液的糖醛。
[0020] 優(yōu)選地，該方法包括以下步驟：
[0021 ]-提供包含以下的水性原料混合物：
[0022] (i)-種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質；
[0023] (?)甲磺酸；
[0024] (iii)濃度足以降低糖醛在水性原料混合物中的溶解度的一種或多種鹽；
[0025] -使該水性原料混合物與包含一種或多種有機溶劑的萃取液接觸，其中該一種或 多種溶劑：
[0026] -具有比該水性原料混合物高的糖醛溶解度;和
[0027] -這樣選擇，使得在使該水性原料混合物與該萃取液接觸時形成兩個分開的液相， 其中第一液相中水的濃度高于該有機溶劑的濃度，第二液相中該有機溶劑的濃度高于水的 濃度；
[0028]-在使該水性原料混合物與該萃取液接觸的同時對其進行熱處理，使得該一種或 多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質反應為從該水性原料混合物萃取 入該萃取液的糖醛。
[0029] 在一個優(yōu)選實施方案中，該熱處理涉及高于室溫(通常為20°C)的溫度與lOOOkPa 或更高的壓力組合。
[0030] 本發(fā)明的相關方面涉及甲磺酸在本發(fā)明的方法中、尤其是在下文所述的其優(yōu)選實 施方案中的用途。
[0031] 在本說明書中，術語"含木糖單位寡糖"和"含木糖單位多糖"分別指寡糖(包括二 糖)和多糖，其大分子包含木糖單位或由木糖單位組成。一種或多種選自木糖、含木糖單位 寡糖和含木糖單位多糖的物質（i)在下文中也稱為"離析物"。
[0032] 在一個實施方案中，用于本發(fā)明方法的水性原料混合物包含大量有機材料而不是 上述離析物，例如選自以下的有機材料：
[0033]-有機溶劑，例如但不限于乙醇；
[0034] -酚類化合物，如但不限于木素；
[0035] -脂質，如但不限于選自油、脂肪酸和磷脂的脂質。
[0036] 在本說明書的背景中，原料混合物(不考慮其有機材料的含量)理解為水性原料混 合物，只要在使該原料混合物與該萃取液（如上下文中所定義)接觸時形成兩個分開的液 相，其中第一液相中水的濃度高于該有機溶劑的濃度，第二液相中該有機溶劑的濃度高于 水的濃度。
[0037] 到此處為止，提到甲磺酸作為水性原料混合物的組分，術語甲磺酸將解釋為包括 甲磺酸的質子化以及解離形式。
[0038] 水性原料混合物的pH值優(yōu)選在從0至4.0的范圍內。在一個實施方案中，pH值等于 或低于3.0，優(yōu)選等于或低于2.0。在另一實施方案中，pH值等于或高于0.5。最優(yōu)選地，pH值 為0.5至1.5。優(yōu)選地，調整原料水溶液中甲磺酸的量，使得pH在上文指定的范圍內。
[0039]甲磺酸（CH3S02 (0H)，有時縮寫為MSA)可以例如作為包含70wt %甲磺酸的水溶液 (例如，作為Lutropur?MSA來自 BASF SE，Car 1-Bosch-Str · 38，67056Ludwigshaf en，德 國）和以無水形式（例如，作為:Lutr〇pur?MSA100來自BASF SE，Carl-Bosch-Str.38， 67056Ludwigshafen,德國）購得。甲磺酸在水中無限可溶，具有-1.9的pKa，該pKa顯著低于 硫酸的第一階段解離的pKa(第一階段解離為-3,第二階段解離為1.9)。因此，甲磺酸是比硫 酸弱的酸。
[0040] 甲磺酸與硫酸、硝酸、鹽酸相比具有更低的腐蝕性，且與硫酸和硝酸不同，它不作 為氧化和/或脫水劑發(fā)揮作用。根據(jù)我們自己的實驗，避免了例如通過離析物的焦化形成不 希望得到的副產(chǎn)物，并提高了目標產(chǎn)物糖醛的產(chǎn)率。
[0041] 甲磺酸優(yōu)于硫酸的另一個優(yōu)勢是，甲磺酸是顯著弱于硫酸的磺化劑。根據(jù)我們自 己的實驗，以更低的量形成皂狀產(chǎn)物，且相分離更快和更有效。
[0042] 此外，甲磺酸的大多數(shù)鹽比硫酸的鹽更易溶于水，使得減少了由不可溶沉積物的 形成引起的問題。
[0043] 甲磺酸的另一個優(yōu)勢是它在有氧和缺氧條件下的生物降解性。
[0044] 雖然甲磺酸有這些優(yōu)勢，但通常用無機酸進行需要酸性介質的化學反應。
[0045]在本發(fā)明的方法中，對該水性原料混合物進行熱處理，即使其暴露于高溫(與20°C 的通常室溫相比），以便于該離析物反應為糖醛。
[0046] 在進行熱處理使得該離析物反應為糖醛的同時，使該水性原料混合物與包含一種 或多種具有（即提供)比該水性原料混合物高的糖醛溶解度的有機溶劑（即糖醛在該一種或 多種有機溶劑中具有比在該水性原料混合物中高的溶解度）的萃取液接觸。在本申請的背 景中，各種情況下的術語溶劑指單個化合物。
[0047] 選擇該一種或多種有機溶劑，使得在使該水性原料混合物與該萃取液接觸時形成 兩個分開的液相，其中該兩個分開的液相的第一液相中水的濃度高于該有機溶劑的濃度， 該兩個分開的液相的第二液相中該有機溶劑的濃度高于水的濃度。優(yōu)選地，在與該水性料 液接觸時，用于本發(fā)明方法的萃取液包含一種或多種有機溶劑。
[0048] 該第一和第二液相可以以兩個連續(xù)相的形式或以分散系(例如乳劑)的形式共存， 其中該第二液相(如上文所定義）以這樣的方式分散在該第一液相(如上文所定義）內，使得 第二相以大量小滴的形式存在。
[0049] 由于糖醛在該一種或多種有機溶劑中的溶解度更高，所形成的糖醛從該水性原料 混合物萃取入該萃取液，即從其中水的濃度高于該有機溶劑的濃度的該第一液相進入其中 該有機溶劑的濃度高于水的濃度的該第二液相。通過萃取入該萃取液，從其中一種或多種 選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質正在反應的該水性原料混合物除去糖 醛。這樣做是有利的，因為在木糖存在下，反應產(chǎn)物糖醛可以進行不希望的副反應，該副反 應導致關于糖醛的反應的選擇性和產(chǎn)率降低。優(yōu)選地，優(yōu)選在水性原料混合物的整個熱處 理期間連續(xù)萃取所形成的糖醛。
[0050] 優(yōu)選地，在本發(fā)明的方法及其優(yōu)選實施方案中，這樣選擇該一種或多種溶劑，使得 糖醛在該溶劑中的溶解度超過相同溫度下糖醛在該水性原料混合物中的溶解度10%或更 多，優(yōu)選50 %或更多，最優(yōu)選80 %或更多。
[0051] 與相同溫度下糖醛在不包含任意一種或多種鹽（iii)但在其他方面具有相同組成 的水性原料混合物中的溶解度相比，用于本發(fā)明方法的水性原料混合物以足以降低糖醛在 水性原料混合物中的溶解度的濃度包含一種或多種鹽。在用于本發(fā)明方法的水性原料混合 物中，至少在熱處理期間，該一種或多種鹽以解離形式存在，使得存在至少一種不同于氫陽 離子的陽離子和至少一種不同于氫氧陰離子的陰離子。電解質如鹽在進一步包含一種或多 種非解離物質（如糖醛）的水性混合物中的存在降低該非解離物質在該水性混合物的水中 的溶解度。此現(xiàn)象稱為鹽效應或稱為"鹽析"。因此，由于一種或多種鹽在水性原料混合物中 的存在，促進了所形成的糖醛轉移入萃取液。
[0052]在用于本發(fā)明方法的水性原料混合物中，優(yōu)選這樣選擇該一種或多種鹽（iii)的 濃度，使得與相同溫度下糖醛在不包含任意一種或多種鹽（iii)但在其他方面具有相同組 成的水性原料混合物中的溶解度相比，糖醛的溶解度降低10%或更多，優(yōu)選50%或更多，最 優(yōu)選80 %或更多。
[0053]優(yōu)選地，在本發(fā)明的方法中及其優(yōu)選實施方案中，以這樣的方式進行熱處理步驟， 使得可以回收水性原料混合物中提供的該一種或多種鹽（iii)的80wt %或更多、優(yōu)選 90wt%或更多。這通過以這樣的方式適當選擇一種或多種鹽（iii)，使得它們基本無反應性 (即在水性原料混合物中提供的該鹽（iii)只有小部分的量(20wt%或更少)在熱處理期間 經(jīng)歷化學變化)來達到。因此，存在于所提供的水性原料混合物中的該一種或多種鹽（iii) 的大部分(80wt%或更多，優(yōu)選90wt%或更多）的量能夠在熱處理后得到回收。在每種情況 下，術語"所提供的水性原料混合物"指在使該水性原料混合物在緊鄰下述步驟之前，該水 性原料混合物的組成，該步驟是與該萃取液接觸并在與該萃取液接觸的同時對該水性原料 混合物進行熱處理。
[0054] 優(yōu)選地，該一種或多種鹽（iii)選自這樣的鹽，該鹽含有下述陽離子和陰離子，所 述陽離子選自I族金屬的陽離子和II族金屬的陽離子，所述陰離子選自氯離子、溴離子、碘 離子、甲磺酸根、甲苯磺酸根、磷酸根、四氟硼酸根、三氟甲磺酸根、乙酸根和硝酸根的陰離 子
[0055 ]元素周期系統(tǒng)的I族金屬和II族金屬還常分別稱為堿金屬和堿土金屬。
[0056]包含上述陽離子和陰離子的鹽通?；緹o反應性，即存在于所提供的水性原料混 合物中（即在使該水性原料混合物與該萃取液接觸并在與該萃取液接觸的同時對該水性原 料混合物進行熱處理的步驟之前）的該鹽（iii)的大部分(80wt%或更多，優(yōu)選90wt%或更 多）的量能夠在熱處理后得到回收。
[0057] 還優(yōu)選水性原料混合物包含另兩種或多種鹽（iii)，該兩種或多種鹽優(yōu)選包含： [0058]-一種選自堿金屬氯化物的鹽；
[0059] --種選自甲磺酸的堿金屬鹽的鹽。
[0060] 因此，在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案中，除一種選自甲磺酸的堿金屬鹽的鹽外，水 性原料混合物包含甲磺酸。因此，至少在該甲磺酸的堿金屬鹽完全解離時，水性原料混合物 中甲烷磺酸化陰離子的濃度大于氫離子的濃度。
[0061 ] 優(yōu)選地，氯化鈉與甲磺酸鈉的重量比在從10:1至1:10、優(yōu)選從5:1至1:5、更優(yōu)選從 2:1至1:2、尤其優(yōu)選從1.5:1至1:1.5、最優(yōu)選從1.2:1至1:1.2的范圍內。
[0062] 在我們自己的實驗中，發(fā)現(xiàn)該鹽就在水性原料混合物中的溶解度、糖醛溶解度的 降低和化學穩(wěn)定性而言表現(xiàn)得最好。在用具有碘陰離子的鹽取代具有甲磺酸陰離子的鹽 時，存在熱處理期間形成累積在第二液相中的碘的一些風險。因此，對于碘陰離子，與在熱 處理期間基本保持穩(wěn)定且僅以很小程度轉移入第二液相的具有甲磺酸陰離子的鹽相比，鹽 (i i i)的喪失可以增加。此外，由于碘轉移入第二液相，該第二液相包含碘作為污染物，這妨 礙從該第二液相回收目標產(chǎn)物糖醛。
[0063] 優(yōu)選地，在水性原料混合物中，基于水性原料混合物中存在的甲磺酸的重量，選自 無機酸(硫酸、硝酸、鹽酸和磷酸）的其他酸的總量為l〇〇wt %或更少、優(yōu)選50wt %或更少，更 優(yōu)選10wt%或更少。但是，為了減少可引起上述關于安全性、腐蝕和副產(chǎn)物形成的問題的腐 蝕性化學藥品的使用，基于水性原料混合物中存在的甲磺酸的重量，優(yōu)選水性原料混合物 不包含超過lwt %硫酸，且不包含任何其他無機酸。
[0064] 尤其優(yōu)選地，水性原料混合物包含：
[0065] (i) -種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質；
[0066] (?)甲磺酸；
[0067] (iii)-種或多種濃度足以降低糖醛在水性原料混合物中的溶解度的鹽，其中該 鹽優(yōu)選按照上文所解釋的優(yōu)選實施方案選擇；
[0068] (iv)水；和
[0069] (v)可選的硫酸；
[0070] 其中基于水性原料混合物中存在的甲磺酸的重量，水性原料混合物中硫酸的量不 超過lwt%硫酸。
[0071 ]在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，在該水性原料混合物中，基于該水性原料混合物的總重 量，（i)該一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質的總濃度在從 lwt%至70wt%、優(yōu)選從10wt%至40wt%、進一步優(yōu)選從20wt%至30wt%的范圍內。在（i)該 離析物的濃度低于lwt%時，該方法通常變得低效，因為需處理非常大體積的液體來獲得相 對較小量的糖醛。在（i)該離析物的濃度高于70wt%時，水性原料混合物通常變得非常黏， 因此難以處理。
[0072] 在本發(fā)明的另一優(yōu)選方法中，在該水性原料混合物中，基于該水性原料混合物的 總重量，（ii)甲磺酸的濃度在從0. lwt%至5wt%、優(yōu)選從lwt%至3wt%、進一步優(yōu)選從 1.5wt %至2.5wt %的范圍內。在(i i)甲磺酸的濃度低于0. lwt %時，與除水性原料混合物不 包含甲磺酸之外所有條件和組成都相同的用于產(chǎn)生糖醛的方法相比，甲磺酸的量通常對糖 醛的產(chǎn)率無顯著作用。在(ii)甲磺酸的濃度高于5wt%時，所不希望的甲磺酸萃取入萃取液 的風險變得顯著。
[0073] 在本發(fā)明的另一優(yōu)選方法中，在該水性原料混合物中，基于該水性原料混合物的 總重量，（iii )該一種或多種鹽（如上文所定義）的總濃度在從0.5wt%至35wt%、優(yōu)選從 5wt%至30wt %、進一步優(yōu)選從10wt %至25wt %、最優(yōu)選從15wt %至20wt %的范圍內。在 (iii)該一種或多種鹽(如上文所定義）的濃度低于0.5wt%時，與不包含任何鹽（iii)但其 他組成相同的水性原料混合物相比，通常達不到糖醛溶解度的顯著降低。在(iii)該一種或 多種鹽（如上文所定義）的濃度高于35wt%時，該方法通常變得低效，因為需利用非常大量 的鹽(iii)來獲得相對較小量的糖醛。此外，根據(jù)我們自己的實驗，發(fā)現(xiàn)這種大量的鹽(iii) 在一些情況下降低朝向糖醛的反應的選擇性和產(chǎn)率。
[0074] 在本發(fā)明的尤其優(yōu)選的方法中，在該水性原料混合物中：
[0075] _(i)該一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質的總濃度 在從lwt%至70wt%、優(yōu)選從10wt%至40wt%、進一步優(yōu)選從20wt%至30wt%的范圍內；
[0076] 和
[0077] -(ii)甲磺酸的濃度在從0 . lwt%至5wt %、優(yōu)選從lwt %至3wt %、進一步優(yōu)選從 1.5界1:%至2.5￥1:%的范圍內；
[0078] 和
[0079] -(iii)該一種或多種鹽的總濃度在從0.5wt. %至35wt%、優(yōu)選從5wt%至30wt%、 進一步優(yōu)選從10wt%至25wt%、最優(yōu)選從15wt%至20wt%的范圍內；
[0080] 其中每種情況下的濃度都基于該水性原料混合物的總重量。
[0081 ]優(yōu)選地，在該水性原料混合物中，酵母細胞的總濃度為120*106細胞/ml或更少、優(yōu) 選100*106細胞/ml或更少、進一步優(yōu)選80*106細胞/ml或更少、更優(yōu)選60*10 6細胞/ml或更 少、50*106細胞/ml或更少、40*106細胞/ml或更少、30*10 6細胞/ml或更少、20*106細胞/ml或 更少、15*106細胞/ml或更少、尤其優(yōu)選10*10 6細胞/ml或更少、9*106細胞/ml或更少、8*106 細胞/ml或更少、7*106細胞/ml或更少、6*106細胞/ml或更少、最優(yōu)選5*10 6細胞/ml或更少。
[0082] 進一步有限地，在該水性原料混合物中，活細胞和孢子形式的酵母細胞的總濃度 為120*106細胞/ml或更少、優(yōu)選100*10 6細胞/ml或更少、進一步優(yōu)選80*106細胞/ml或更少、 更優(yōu)選60*106細胞/ml或更少、50*10 6細胞/ml或更少、40*106細胞/ml或更少、30*106細胞/ ml或更少、20*106細胞/ml或更少、15*106細胞/ml或更少、10*10 6細胞/ml或更少、9*106細 胞/ml或更少、8*106細胞/ml或更少、7*10 6細胞/ml或更少、6*106細胞/ml或更少、最優(yōu)選5* 1〇6細胞/ml或更少。
[0083] 術語酵母細胞指能夠催化醇發(fā)酵的細胞，例如（但不限于）酵母科 (Saccharomycetaceae)，如選自釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和粟酒裂殖酵母 (Schizosaccharomyces pombe)的那些。
[0084] 水性原料混合物中的低濃度酵母細胞具有降低的不希望得到的副反應的程度和 降低的不希望得到的副產(chǎn)物的形成的優(yōu)勢，導致關于糖醛的反應的產(chǎn)率和選擇性提高。 [0085]尤其優(yōu)選的是本發(fā)明的方法，其中組合了上述關于水性原料混合物組成的優(yōu)選特 征中的兩種或多種、優(yōu)選全部。
[0086] 該萃取液中的一種或多種有機溶劑優(yōu)選選自這樣的溶劑，該溶劑：（i)具有低于糖 醛沸點的沸點，其中在每種情況下，沸點是l〇〇〇hPa壓力下的沸點；和（ii)與糖醛形成共沸 混合物。糖醛在l〇〇〇hPa下的沸點為162°C。選擇上文定義的該萃取液中的一種或多種有機 溶劑具有優(yōu)勢，通?？赏ㄟ^蒸餾來將該溶劑從目標產(chǎn)物糖醛分開，而無需使糖醛經(jīng)受在該 萃取液中的一種或多種有機溶劑具有比糖醛高的沸點而使得必須從溶劑蒸餾出糖醛的情 況下所不可避免的那種高熱負荷。此外，在必須蒸餾的液體的沸點低時，蒸餾所需的熱能的 量低，這由于經(jīng)濟和生態(tài)原因而是優(yōu)選的。
[0087] 優(yōu)選地，在與該水性料液接觸時，用于本發(fā)明方法的萃取液包含一種或多種有機 溶劑，該有機溶劑具有低于糖醛沸點的沸點，其中在每種情況下，沸點是1 〇〇〇hPa壓力下的 沸點。
[0088] 優(yōu)選地，在該萃取液中，該一種或多種溶劑選自四氫呋喃、甲基四氫呋喃和二甲基 四氫呋喃。
[0089] 在使該水性原料混合物與該萃取液接觸的步驟中，該水性原料混合物與該萃取液 的重量比在從95:5至5:95、優(yōu)選從80:20至20:80、進一步優(yōu)選從60:40至50:50的范圍內。 [0090]尤其優(yōu)選的是本發(fā)明的方法，其中組合了上述關于水性原料混合物組成和萃取液 組成的優(yōu)選特征中的兩種或多種、優(yōu)選全部。
[0091] 與萃取液接觸的水性原料混合物的熱處理在從100kPa至3000kPa、優(yōu)選從1000至 2500kPa范圍內的壓力下在從80°C至250°C、優(yōu)選從130°C至220°C、進一步優(yōu)選從150°C至 180°C范圍內的溫度下進行，其中這樣選擇壓力和溫度，使得該共存的第一和第二液相保持 從1秒至6小時、優(yōu)選從5秒至3小時、進一步優(yōu)選從100秒至30分鐘、甚至更優(yōu)選從100秒至 300秒的持續(xù)時間。
[0092] 可選地，完成熱處理后，使兩個共存的液相冷卻和/或降低壓力，然后將共存的液 相分開。優(yōu)選地，使兩個共存的液相冷卻和/或降低壓力，然后將共存的液相分開。
[0093] 在溫度低于80 °C時，糖醛的產(chǎn)率太低。在溫度高于250 °C時，不希望得到的副產(chǎn)物 的量太高。在一個實施方案中，由于經(jīng)濟和生態(tài)原因，熱處理的溫度優(yōu)選盡可能低。在優(yōu)選 實施方案中，這樣選擇熱處理的溫度，使得達到糖醛的最佳反應選擇性和/或最佳產(chǎn)率。
[0094] 關于壓力的選擇，壓力足夠高以維持該共存的第一液相和該第二液相處于所選擇 的溫度很重要。另一方面，由于經(jīng)濟和技術原因，壓力優(yōu)選盡可能低。
[0095] 在熱處理持續(xù)時間低于1秒時，該方法變得低效，因為僅形成低量的糖醛。在熱處 理持續(xù)時間高于6小時時，它變得難以維持糖醛的連續(xù)萃取，導致糖醛產(chǎn)率的損失。此外，由 于經(jīng)濟和生態(tài)原因，熱處理持續(xù)時間優(yōu)選盡可能短。
[0096] 在熱處理期間，在第一液相中，該離析物（i)的濃度由于轉變?yōu)樘侨┒档?，在?第二液相中，糖醛的濃度由于所形成的糖醛從第一液相萃取入第二液相而提高。
[0097]優(yōu)選地，至少在熱處理期間，該第一和第二液相以分散系(例如乳劑)的形式存在， 其中該第二液相(如上文所定義）以這樣的方式存在于該第一相(如上文所定義）內，使得第 二相以大量小滴的形式存在。在兩個相的分散系中進行反應具有增加兩個相之間的界面， 使得便于糖醛從第一液相轉移入第二液相的優(yōu)勢。這通過例如利用攪拌劇烈混合兩個液相 來達到。優(yōu)選地，在整個熱處理過程中持續(xù)混合(例如攪拌)動作。完成熱處理后，停止混合 (例如攪拌)動作，以允許形成兩個連續(xù)相，從而便于分離該兩個相。
[0098]據(jù)推測，在水性原料混合物包含一種或多種選自含木糖單位寡糖和含木糖單位多 糖的物質時，從該物質形成木糖，所形成的木糖隨后反應為糖醛。
[0099]優(yōu)選的是本發(fā)明的方法，其中組合了上述關于熱處理條件的優(yōu)選特征中的兩個或 多個、優(yōu)選全部。
[0100]進一步優(yōu)選的是本發(fā)明的方法，其中組合了上述關于熱處理條件及水性原料混合 物組成和萃取液組成的優(yōu)選特征中的兩個或多個、優(yōu)選全部。
[0101]在這方面，尤其優(yōu)選的是本發(fā)明的方法，其中：
[0102]-水性原料混合物包含：
[0103] (i)總濃度從lwt%至70wt%、優(yōu)選從10wt%至40wt%、進一步優(yōu)選從20wt%至 30wt %的一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質；
[0104] (ii)濃度從0· 1至5wt%、優(yōu)選從lwt%至3wt%、進一步優(yōu)選從1 ·5wt%至2·5wt% 的甲磺酸；
[0105] (i i i)兩種選自氯化鈉和甲磺酸鈉的鹽；
[0106] 其中氯化鈉和甲磺酸鈉的總濃度在從0.5wt. %至35wt%、優(yōu)選從5wt%至30wt%、 進一步優(yōu)選從l〇wt%至25wt%、最優(yōu)選從15wt%至20wt%的范圍內，且氯化鈉與甲磺酸鈉 的重量比在從10:1至1:10、優(yōu)選從5:1至1:5、更優(yōu)選從2:1至1:2、尤其優(yōu)選從1.5:1至1: 1.5、最優(yōu)選從1.2:1至1:1.2的范圍內；
[0107] 其中每種情況下的濃度基于水性原料混合物的總重量；
[0108] -包含甲基四氫呋喃和可選的一種或多種其他組分的萃取液；
[0109] -在使該水性原料混合物和該萃取液接觸的步驟中，該水性原料混合物與該萃取 液的重量比在從95:5至5:95、優(yōu)選從80:20至20:80、優(yōu)選從60:40至50:50的范圍內；
[0110]-與萃取液接觸的水性原料混合物的熱處理在從1200kPa至2000kPa范圍內的壓力 下在從130 °C至220 °C、優(yōu)選從150 °C至180 °C范圍內的溫度下進行從1至10分鐘的持續(xù)時間；
[0111] 其中這樣選擇壓力和溫度，使得該共存的第一和第二液相得以維持。
[0112] 在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案中，基于離析物中木糖單位的重量，達到了75%或 更高、優(yōu)選80%或更高的糖醛產(chǎn)率。測定離析物中木糖單位的量和重量的方法為本領域已 知。
[0113] 通常，在本發(fā)明的方法中，離析物（即該一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和 含木糖單位多糖的物質）的來源并不重要。但是，由于經(jīng)濟和生態(tài)原因，優(yōu)選該離析物源自 可再生資源，如生物質，例如植物生物質。
[0114] 這通過本發(fā)明的進一步包括以下步驟的優(yōu)選方法來達到：
[0115] -處理含纖維素生物質，優(yōu)選木素纖維素，使得形成該一種或多種選自木糖、含木 糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質;和
[0116]-制備包含以下的該水性原料混合物：
[0117] (i)所形成的該一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質；
[0118] (?)甲磺酸；
[0119] (iii)-種或多種濃度足以降低糖醛在水性原料混合物中的溶解度的鹽。
[0120] 生物質是用于通過所有種類活生物（即微生物、植物、動物和人類）的生長和代謝 產(chǎn)生的全部有機物質的一般術語。生物質的主要來源是植物進行的光合作用。
[0121 ]適合作為本發(fā)明方法的離析物來源的含纖維素生物質可以選自植物生物質、農(nóng)業(yè) 廢物、林業(yè)殘渣、糖加工殘渣、廢紙及其混合物。由于經(jīng)濟和生態(tài)原因，尤其優(yōu)選廢物和殘渣 形式的含纖維素生物質。如上文所述，干燥植物生物量(水分含量低于15wt%)包含纖維素、 聚糖和木素作為主要成分。
[0122] 用于處理含纖維素生物量來獲得該一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木 糖單位多糖的物質的方法為本領域公知。假定該處理含纖維素生物量的步驟涉及破碎包含 纖維素、聚糖(例如木聚糖)和木素的緊密、穩(wěn)定的復合材料。這通常通過化學、物理、酶或微 生物技術或其組合來達到。
[0123] 尤其優(yōu)選的是這樣的方法，其中在該處理含纖維素生物量的步驟中，使包含含纖 維素生物量、水和甲磺酸的處理混合物在從100至3000kPa、優(yōu)選從1000至2000kPa范圍內的 壓力下經(jīng)受從100°C至210°C、優(yōu)選從130 °C至195 °C、進一步優(yōu)選從150°C至180°C范圍內的 溫度，其中這樣選擇壓力，使得至少一部分水處于液態(tài)。該處理含纖維素生物量的具體技術 公開于歐洲專利申請13187189.9中，該專利申請在此引入作為參考。尤其優(yōu)選的是歐洲專 利申請13187189.9中公開的處理含纖維素生物量的優(yōu)選方法。此方法的具體優(yōu)勢是，由于 處理含纖維素生物量的步驟，獲得了包含含有（i)木糖和(ii)甲磺酸的水溶液的液相，可通 過加入上文定義的一種或多種鹽(iii)來從其制備用于本發(fā)明方法的水性原料混合物。
[0124] 備選地，可以通過以下制備水性原料混合物：
[0125] -向通過處理含纖維素生物量(優(yōu)選木素纖維素)獲得的包含（i) 一種或多種選自 木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質的水性混合物中加入（i i)甲磺酸和（i i i) 上文定義的一種或多種鹽，其中優(yōu)選無需進一步純化通過處理含纖維素生物量獲得的包含 (i) 一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質的水性混合物；
[0126] 或
[0127] -以固體形式提供一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物 質，并制備包含以下的水性混合物：（i)該一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖 單位多糖的物質，（ii)甲磺酸，及(iii)上文定義的一種或多種鹽。
[0128] 生物量的處理通常在生物煉制廠進行。生物煉制廠是將生物量轉變?yōu)橐环N或多種 燃料、動力、熱和增值化學藥品的設施。生物煉制廠的概念以某種方式類似于常見的從石油 生產(chǎn)多種燃料和產(chǎn)品的煉油廠。通常，在生物煉制廠中，將含纖維素生物量(優(yōu)選木素纖維 素)分為木素、聚糖(其可選地進一步轉變?yōu)橄鄳膯翁?，如木?和纖維素(其可選地進一 步轉變?yōu)橄鄳膯翁牵缙咸烟牵?。?yōu)選地，作為生物煉制廠的原料，使用這類生物量，其不 與食品生產(chǎn)競爭，且可以在不破壞自然植被的情況下開發(fā)。這種方法也稱為二代生物煉制。 這種二代生物煉制的優(yōu)選原料選自農(nóng)業(yè)廢物(例如麥桿）、非食物植物材料和林業(yè)殘渣。
[0129] 尤其優(yōu)選的是本發(fā)明的方法，其中組合了上述關于處理含纖維素生物量的條件、 熱處理條件、水性原料混合物組成和萃取液組成的優(yōu)選特征中的兩個或多個、優(yōu)選全部。
[0130] 由于經(jīng)濟和生態(tài)原因，希望回收在本發(fā)明方法的熱處理期間未經(jīng)歷化學變化的物 質，如溶劑和助劑。因此，本發(fā)明的尤其優(yōu)選的方法進一步在完成熱處理后包括以下步驟中 的一個或兩個步驟：
[0131] -從第一液相回收包含甲磺酸（ii)和該一種或多種鹽(iii)的水性混合物，并用該 回收的水性混合物補充該水性原料混合物；
[0132] 和/或
[0133] -從該第二液相回收該一種或多種有機溶劑，并用該回收的一種或多種有機溶劑 補充該萃取液。
[0134] 優(yōu)選地，從第一液相回收包含甲磺酸（i i)和該一種或多種鹽(i i i)的水性混合物， 并用該回收的水性混合物補充該水性原料混合物，且從該第二液相回收一種或多種有機溶 劑，并用該回收的一種或多種有機溶劑補充該萃取液。
[0135] 更具體而言，優(yōu)選通過在完成熱處理后，從該第一液相回收包含該甲磺酸（ii)和 該一種或多種鹽(i i i)的水性混合物，并向該回收的水性混合物中加入(i)該一種或多種選 自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質來補充水性原料混合物。應指出，熱處理 后，未反應的離析物部分、未萃取的糖醛和在熱處理期間形成的副產(chǎn)物可存在于第一液相 中。
[0136] 更具體而言，優(yōu)選通過在完成熱處理后，從該第二液相回收該一種或多種有機溶 劑，并用該回收的一種或多種有機溶劑制備萃取液來補充萃取液。優(yōu)選地，該萃取液中的該 一種或多種有機溶劑選自具有低于糖醛沸點的沸點的溶劑，使得可以通過蒸餾來將該一種 或多種溶劑從該第二液相分開。
[0137] 尤其優(yōu)選的是本發(fā)明的方法，其中組合了上述關于處理含纖維素生物量的條件、 熱處理條件、水性原料混合物組成和萃取液組成、及回收包含甲磺酸（ii)和該一種或多種 鹽(iii)的水性混合物和/或回收一種或多種有機溶劑的優(yōu)選特征中的兩個或多個、優(yōu)選全 部。
[0138] 本文還公開從C6糖（己糖、己醛糖和/或己酮糖）、含己糖單位寡糖和/或含己糖單 位多糖獲得5_(羥甲基)糖醛(下文稱為HMF)的方法。適于通過本發(fā)明的方法轉變?yōu)镠MF的己 糖是(但不限于)果糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖、山梨糖、或其組合，最優(yōu)選果糖、葡萄糖、或 其組合。
[0139] 本發(fā)明的用于產(chǎn)生HMF的方法包括以下步驟：
[0140] -提供包含以下的水性原料混合物：
[0141] (i)一種或多種選自己糖、含己糖單位寡糖和含己糖單位多糖的物質，其中該己糖 或己糖單位優(yōu)選是果糖或葡萄糖，優(yōu)選該一種或多種物質是果糖、葡萄糖或其組合；
[0142] (?)甲磺酸；
[0143] -使該水性原料混合物與如本文所述的包含一種或多種有機溶劑的萃取液接觸， 其中該一種或多種溶劑：
[0144] -具有比該水性原料混合物高的HMF溶解度;和
[0145] -這樣選擇，使得在使該水性原料混合物與該萃取液接觸時形成兩個分開的液相， 其中第一液相中水的濃度高于該有機溶劑的濃度，而第二液相中該有機溶劑的濃度高于水 的濃度；
[0146] 其中該水性原料混合物進一步以足以降低HMF在水性原料混合物中的溶解度的濃 度包含本文所述的一種或多種鹽（iii)，和/或該鹽（iii)在該水性原料混合物與該萃取液 接觸之后加入；
[0147] -在使該水性原料混合物與該萃取液接觸的同時對其進行熱處理，使得該一種或 多種選自己糖、含己糖單位寡糖和含己糖單位多糖的物質（其中該己糖或己糖單位優(yōu)選是 果糖或葡萄糖)反應為從該水性原料混合物萃取入該萃取液的HMF。
[0148] 優(yōu)選地，該方法包括以下步驟：
[0149] -提供包含以下的水性原料混合物：
[0150] (i)一種或多種選自己糖、含己糖單位寡糖和含己糖單位多糖的物質，其中該己糖 或己糖單位優(yōu)選是果糖或葡萄糖，優(yōu)選該一種或多種物質是果糖、葡萄糖或其組合；
[0151] (?)甲磺酸；
[0152] (iii)濃度足以降低HMF在水性原料混合物中的溶解度的本文所述的一種或多種 鹽；
[0153] -使該水性原料混合物與包含一種或多種本文所述有機溶劑的萃取液接觸，其中 該一種或多種溶劑：
[0154] -具有比該水性原料混合物高的HMF溶解度;和
[0155] -這樣選擇，使得在使該水性原料混合物與該萃取液接觸時形成兩個分開的液相， 其中第一液相中水的濃度高于該有機溶劑的濃度，而第二液相中該有機溶劑的濃度高于水 的濃度；
[0156] -在使該水性原料混合物與該萃取液接觸的同時對其進行熱處理，使得該一種或 多種選自己糖、含己糖單位寡糖和含己糖單位多糖的物質（其中該己糖或己糖單位優(yōu)選是 果糖或葡萄糖)反應為按本文所述從該水性原料混合物萃取入該萃取液的HMF。
[0157] 優(yōu)選地，在該方法中，包含一種或多種己糖、含有一個或多個己糖單位的寡糖和含 有一個或多個己糖單位的多糖或其組合的水性原料混合物還包含木糖、含木糖單位寡糖和 含木糖單位多糖或其組合，優(yōu)選地，其中該木糖或木糖單位轉變?yōu)樘侨撘环N或多種己 糖或己糖單位轉變?yōu)镠MF。優(yōu)選地，所產(chǎn)生的任何糖醛在附加步驟中轉變?yōu)镠MF。 實施例
[0158] 在基本系列實驗(下文表1-6)中，用純結晶木糖作為離析物。通過在配有磁力攪拌 的反應容器中將約250mg木糖溶解在甲磺酸(MSA)水溶液中來制備離析物的酸性溶液。
[0159] 對于比較實驗，通過將結晶木糖樣品溶解在包含硫酸的水溶液中來制備酸性溶 液。
[0160] 下文表1-6中針對每個樣品顯示該酸性離析物溶液中木糖和酸（甲磺酸或硫酸）的 濃度。
[0161] 按下文表1-6中針對每個樣品顯示的量向該酸性離析物溶液中加入一種或多種選 自氯化鈉、甲磺酸鈉和碘化鈉的鹽。對于比較實驗，不向一些酸性離析物溶液樣品中加入 鹽。
[0162] 用含有木糖作為離析物、含有硫酸或甲磺酸和不含附加的鹽或含有一種或多種選 自氯化鈉、甲磺酸鈉和碘化鈉的鹽的水溶液作為用于產(chǎn)生糖醛的水性原料混合物。
[0163] 在所加入的一種或多種鹽溶解后，在每個反應容器中的水性原料混合物中添加一 定量的甲基四氫呋喃(Me-THF)作為下文表1-6中指定的萃取液。
[0164] 將反應容器放入微波透熱機，通過加熱至下文表1-6中針對每個樣品顯示的目標 溫度并在1600kPa壓力下保持樣品處于目標溫度表下文1-6中針對每個樣品顯示的持續(xù)時 間(保持時間）來對樣品進行熱處理。從20°C開始，達到目標溫度的時間為48秒。
[0165] 在目標溫度下完成熱處理后，利用壓縮空氣噴射使樣品冷卻至室溫。將水相(第一 液相)和萃取液相(第二液相)分開，測定其各自的重量，并利用HPLC分析木糖和糖醛各自的 濃度。
[0166] 木糖的轉變程度以及各自的糖醛產(chǎn)率和選擇性在下文表1-6中提供。
[0167] 表1
[0180] 在第一系列測試(表1，樣品1-7)中，研究了從包含甲磺酸或硫酸的水性原料混合 物產(chǎn)生糖醛。未向原料混合物中加入鹽。酸的種類沒有顯著影響，在160Γ目標溫度和5分鐘 保持時間(樣品1和2)下，糖醛的產(chǎn)率非常低。保持時間從5分鐘增加至10分鐘導致一些改善 (樣品3和4)。在用甲磺酸代替硫酸時，目標溫度提高至170°C (樣品5和6)導致糖醛產(chǎn)率和選 擇性的更明顯改善(與樣品1和2相比）。推測在硫酸的情況下較低的改善是由于通過蟥化和 焦化形成了副產(chǎn)物。
[0181] 在第二系列測試(表2，樣品8-13)中，研究了從包含氯化鈉和甲磺酸或硫酸的水性 原料混合物產(chǎn)生糖醛。在每個測試中，與表1中的相同條件(除缺乏氯化鈉外)下的相應測試 相比，糖醛的產(chǎn)率和選擇性提高。除170°C保持溫度下的測試(樣品12和13)外，在用甲磺酸 代替硫酸時，糖醛的產(chǎn)率和選擇性更高。因此，在將甲磺酸與氯化鈉組合使用時，反應可以 以更高的產(chǎn)率和選擇性在較低溫度下進行。
[0182] 在第三系列測試(表3,樣品14-18)中，研究了從包含甲磺酸和一種或多種選自氯 化鈉、甲磺酸鈉和碘化鈉的鹽的水性原料混合物產(chǎn)生糖醛。在使用氯化鈉和碘化鈉或氯化 鈉和甲磺酸鈉的重量比約為1:1的組合時，獲得了最好的結果。但是，碘化鈉較不優(yōu)選，因為 存在不希望的碘化物氧化為碘的風險。
[0183] 在第四系列測試(表4,樣品19-24)中，研究了從包含第三系列測試鑒定出的優(yōu)選 鹽組合(重量比約1:1的氯化鈉和甲磺酸鈉)與甲磺酸或硫酸的組合的水性原料混合物產(chǎn)生 糖醛，其中改變酸的濃度和目標溫度。在180°C目標溫度和2wt%酸濃度(樣品19和20)下，結 果相似，獨立于所使用的酸的種類。目標溫度降低至160°C同時提高酸濃度導致木糖轉變程 度和糖醛產(chǎn)率的顯著降低(樣品21和22)。但是，對于甲磺酸，獲得了比硫酸好的糖醛產(chǎn)率和 選擇性。在160 °C下進一步提高酸濃度導致木糖轉變程度和糖醛產(chǎn)率提高(樣品23和24)。但 對于甲磺酸，糖醛的選擇性降低(樣品23)。因此，對于包含重量比約為1:1的氯化鈉和甲磺 酸鈉的水性原料混合物，提高溫度比提高酸濃度和加入一種或多種鹽（iii)具有更積極的 作用。
[0184]在第五系列測試(表5,樣品25和26)中，研究了用減少量的萃取液從包含第三系列 測試中鑒定出的優(yōu)選鹽組合(重量比約1:1的氯化鈉和甲磺酸鈉)與甲磺酸的組合的水性原 料混合物產(chǎn)生糖醛。糖醛的產(chǎn)率和選擇性在某種程度上低于在除萃取液的量之外相同的條 件下處理的樣品19(見表4)中。越低的萃取液量導致從水性原料混合物去除所形成的糖醛 的效率越低。但是，減少萃取液的量的影響不像其他參數(shù)(如溫度和酸濃度）的影響那樣顯 著。
[0185]在第六系列測試(表6,樣品27)中，研究了是否可以從水性液相回收包含甲磺酸、 氯化鈉和甲磺酸鈉的水性混合物，并用于補充水性原料混合物。對于此測試，按照表6中給 出的參數(shù)制備和處理水性原料混合物。完成熱處理并冷卻后，從水相分開萃取液相，并保 存。向水相中加入木糖，添加新鮮的甲基四氫呋喃，并在與前一次熱處理相同的條件下進行 第二次熱處理。同樣，在完成熱處理并冷卻后，從水相分開萃取液相，并保存。向水相中加入 木糖，添加新鮮的甲基四氫呋喃，并在與前一次熱處理相同的條件下進行第三次熱處理。完 成第三次熱處理并冷卻后，從水相分開萃取液相。測定第三次熱處理后的水相和組合的萃 取液相各自的重量，并利用HPLC分析第三次熱處理后的水相中及組合的萃取液相中的木糖 和糖醛各自的濃度。結果顯示，完成熱處理后，可以從水相回收包含甲磺酸、氯化鈉和甲磺 酸鈉的水性混合物，并用于補充水性原料混合物，而不減損糖醛的產(chǎn)率和選擇性。
[0186] 在附加實驗中，用產(chǎn)生于酸預處理含木糖的木素纖維素材料的含木糖生物量水解 產(chǎn)物作為離析物。用該凍干固體殘渣作為離析物，通過在5 g 2 w t %甲磺酸水溶液中溶解 25Omg量的固體殘渣來制備酸性水溶液。將5.25g的此固體殘渣酸性水溶液轉移入反應容 器，加入250mg氯化鈉和250mg甲磺酸鈉，以獲得水性原料混合物。干燥殘渣中木糖含量為 43.5%(通過即^：測定）。
[0187] 所加入的一種或多種鹽溶解后，在反應容器中的水性原料混合物中添加 10g量的 甲基四氫呋喃(Me-THF)作為萃取液。
[0188] 將反應容器放入微波透熱機，通過加熱至180°C目標溫度并在1600kPa壓力下保持 樣品處于目標溫度5分鐘的持續(xù)時間來對樣品進行熱處理。從20°C開始，達到目標溫度的時 間為48秒。
[0189] 在目標溫度下完成熱處理后，利用壓縮空氣噴射冷卻樣品。將水相和萃取液相分 開，測定其各自的重量，并利用HPLC分析木糖和糖醛各自的濃度。
[0190] 所使用的固體殘渣的糖醛產(chǎn)率為34%，而基于固體殘渣的真實木糖含量的產(chǎn)率為 78%，這與用結晶木糖作為離析物在相當?shù)臈l件下獲得的結果相似。因此，本發(fā)明的方法適 于用包含一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質的水性混合物作 為起始材料，該水性混合物直接通過處理含纖維素生物量(優(yōu)選木素纖維素)獲得而不進一 步純化。
【主權項】
1. 用于產(chǎn)生糖醛的方法，其包括以下步驟： -提供包含以下的水性原料混合物： (i) 一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質； (ii) 甲磺酸； (iii) 濃度足以降低糖醛在水性原料混合物中的溶解度的一種或多種鹽； -使所述水性原料混合物與包含一種或多種有機溶劑的萃取液接觸，其中該一種或多 種溶劑： -具有比所述水性原料混合物高的糖醛溶解度;和 -這樣選擇，使得在使所述水性原料混合物與所述萃取液接觸時形成兩個分開的液相， 其中第一液相中水的濃度高于所述有機溶劑的濃度，第二液相中所述有機溶劑的濃度高于 水的濃度； -在使所述水性原料混合物與所述萃取液接觸的同時對其進行熱處理，使得所述一種 或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質反應為從所述水性原料混合物 萃取入所述萃取液的糖醛。2. 任意前述權利要求的方法，其中： 熱處理步驟以這樣的方式進行，使得可以回收80wt%或更多、優(yōu)選90wt%或更多的在 水性原料混合物中提供的所述一種或多種鹽(i i i)。3. 任意前述權利要求的方法，其中： (iii)所述一種或多種鹽選自這樣的鹽，所述鹽包含下述陽離子和陰離子，所述陽離子 選自I族金屬的陽離子和II族金屬的陽離子，所述陰離子選自氯離子、溴離子、碘離子、甲磺 酸根、甲苯磺酸根、磷酸根、四氟硼酸根、三氟甲磺酸根、乙酸根和硝酸根的陰離子。4. 任意前述權利要求的方法，其中： 水性原料混合物包含兩種或多種鹽(iii)，所述兩種或多種鹽優(yōu)選包含： -一種選自堿金屬氯化物的鹽； 和 -一種選自甲磺酸的堿金屬鹽的鹽。5. 任意前述權利要求的方法，其中在所述水性原料混合物中： _(i)所述一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質的總濃度在 從lwt%至70wt%、優(yōu)選從10wt%至40wt%的范圍內； 和/或 -(ii)甲磺酸的濃度在從0. lwt%至5wt%、優(yōu)選從lwt%至3wt%的范圍內； 和/或 -(iii)所述一種或多種鹽的總濃度在從〇 . 5wt. %至35wt %、優(yōu)選從5wt %至30wt %的 范圍內； 其中每種情況下的濃度都基于所述水性原料混合物的總重量。6. 任意前述權利要求的方法，其中在所述水性原料混合物中，酵母細胞的總濃度為 120*106細胞/ml或更少、優(yōu)選100*10 6細胞/ml或更少、進一步優(yōu)選80*106細胞/ml或更少、更 優(yōu)選60*106細胞/ml或更少、尤其優(yōu)選10*10 6細胞/ml或更少、最優(yōu)選5*106細胞/ml或更少。7. 任意前述權利要求的方法，其中： 所述萃取液中的所述一種或多種有機溶劑選自具有低于糖醛沸點的沸點的溶劑； 其中在每種情況下，沸點是在lOOOhPa壓力下的沸點。8. 任意前述權利要求的方法，其中在所述萃取液中，所述一種或多種溶劑選自四氫呋 喃、甲基四氫呋喃和二甲基四氫呋喃。9. 任意前述權利要求的方法，其中在使所述水性原料混合物與所述萃取液接觸的步驟 中，所述水性原料混合物與所述萃取液的重量比在從95:5至5:95、優(yōu)選從60:40至50:50的 范圍內。10. 任意前述權利要求的方法，其中與萃取液接觸的水性原料混合物的熱處理如下進 行： -在從80°C至250 °C、優(yōu)選從130 °C至220 °C、進一步優(yōu)選從150°C至180 °C范圍內的溫度 下進行； -在從lOOkPa至3000kPa、優(yōu)選從1000至2500kPa范圍內的壓力下進行； -進行從1秒至6小時、優(yōu)選從5秒至3小時、進一步優(yōu)選從100秒至30分鐘、最優(yōu)選從100 秒至300秒的持續(xù)時間； 其中這樣選擇壓力和溫度，使得所述共存的第一和第二液相得以維持。11. 任意前述權利要求的方法，其進一步包括以下步驟： -處理含纖維素生物量，優(yōu)選木素纖維素，使得形成所述一種或多種選自木糖、含木糖 單位寡糖和含木糖單位多糖的物質;和 -制備包含以下的所述水性原料混合物： (i) 所形成的所述一種或多種選自木糖、含木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質； (ii) 甲磺酸； (iii) 一種或多種濃度足以降低糖醛在水性原料混合物中的溶解度的鹽。12. 權利要求11的方法，其中在所述處理含纖維素生物量的步驟中，使包含含纖維素生 物量、水和甲磺酸的處理混合物在從100至3000kPa、優(yōu)選從1000至2000kPa范圍內的壓力下 經(jīng)受從100 °C至210 °C、優(yōu)選從130 °C至19 5 °C、進一步優(yōu)選從150 °C至180 °C范圍內的溫度，其 中這樣選擇壓力，使得至少一部分水處于液態(tài)。13. 任意前述權利要求的方法，其進一步在完成熱處理后包括以下步驟中的一個或兩 個： -從第一液相回收包含甲磺酸（ii)和所述一種或多種鹽(iii)的水性混合物，并用所述 回收的水性混合物補充所述水性原料混合物； 和/或 -從所述第二液相回收所述一種或多種有機溶劑，并用所述回收的一種或多種有機溶 劑補充所述萃取液。14. 任意前述權利要求的方法，其中： -水性原料混合物包含： (i)總濃度從lwt %至70wt %、優(yōu)選從10wt %至40wt %的所述一種或多種選自木糖、含 木糖單位寡糖和含木糖單位多糖的物質； (i i)濃度從〇 · 1至5wt %、優(yōu)選從lwt %至3wt %的甲磺酸； (i i i)兩種選自氯化鈉和甲磺酸鈉的鹽； 其中氯化鈉和甲磺酸鈉的總濃度在從Ο . 5wt. %至35wt %、優(yōu)選從5wt %至30wt %的范 圍內，且氯化鈉與甲磺酸鈉的重量比在從10:1至1:10、優(yōu)選從5:1至1:5、更優(yōu)選從2:1至1: 2、尤其優(yōu)選從1.5:1至1:1.5、最優(yōu)選從1.2:1至1:1.2的范圍內； 其中每種情況下的濃度基于水性原料混合物的總重量； -由甲基四氫呋喃和可選的一種或多種其他組分組成的萃取液； -在使所述水性原料混合物和所述萃取液接觸的步驟中，所述水性原料混合物與所述 萃取液的重量比在從95:5至5:95、優(yōu)選從60:40至50:50的范圍內； -與萃取液接觸的水性原料混合物的熱處理在從1200kPa至2000kPa范圍內的壓力下在 從130 °C至220 °C、優(yōu)選從150 °C至180 °C范圍內的溫度下進行從1至10分鐘的持續(xù)時間； 其中這樣選擇壓力和溫度，使得所述共存的第一和第二液相得以維持。15.甲磺酸的用途，用于權利要求1至14中任一項的方法。
【文檔編號】C07D307/50GK105980369SQ201480075425
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年12月10日
【發(fā)明人】S·科赫, A·金德勒
【申請人】巴斯夫歐洲公司