CN102498122A

CN102498122A - 生物质水解

Info

Publication number: CN102498122A
Application number: CN2010800389950A
Authority: CN
Inventors: R·T·瑞尼斯; J·B·彬德尔
Original assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Current assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: EP3095789A1; EP2448951A1; EP2448951B1; US20140220651A1; CA2766934C; CA2766934A1; JP2015213507A; CN102498122B; NZ597898A; JP2012531892A; US8722878B2; EP2448951A4; BRPI1011588A2; US20110065159A1; WO2011002660A1; JP5819292B2

Abstract

将木素纤维素化学水解成单糖的高产率方法。本发明的方法还可用于纤维素、木聚糖和相关的生物质聚糖，例如半乳聚糖、甘露聚糖或阿聚糖。本方法用于水解生物质聚糖基质。本方法在可以溶解纤维素的离子液体中、在酸催化剂的存在下、在足够高可以引发水解的温度下进行。在水解引发后以控制的速率加入水，以避免沉淀并避免不希望的糖脱水产物如HMF。水解产物可以作为原料用于发酵，包括乙醇、丁醇和其他燃料的发酵过程。

Description

生物质水解

交叉引用相关申请

本申请要求2009年7月1日提交的美国临时申请61/222,397的优先权，此申请以引用的方式全文纳入本说明书。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明在由以下机构授予的美国政府资助下作出：DOEDE-FC02-07ER64494。美国政府对本发明享有一定的权利。

背景技术

丰富的植物生物质可变成燃料和化学品的可持续来源。开发这种潜质需要将难处理的木素纤维素经济地转化成有用的中间体，例如糖类。我们报导一种将木素纤维素化学水解成单糖的高产率方法。缓慢地将水加到含有催化酸的氯化物离子液体中可由纤维素得到接近90％产率的葡萄糖，并由未处理的玉米秸秆得到产率为70-80％的糖。离子排斥色谱可以回收离子液体并递送能支持生产乙醇的微生物旺盛生长的糖原料。因此，简单的化学方法可以确保天然生物质成为可规模化的生物精炼中使用的碳的唯一来源。

作为木素纤维素生物质的主要组分，糖聚合纤维素和半纤维素属于地球上最丰富的有机化合物，并且具有成为能量和化学品的可再生资源的潜质。估计的生物质全球年产量为1×10¹¹吨，扣除2×10²¹J[1，2]。相比之下，石油的年产量为2×10²⁰J，而传统原油的工业可回收能力为2×10²²J[1]。因此，只需一个十年，地球上的植物就能使以传统原油方式贮存的所有能源以纤维素、半纤维素和木素的方式再生。对于化学家的挑战是获取这些聚合物，并将它们转化成燃料和化学结构单元。

糖是木素纤维素生物质在生物和化学转化中的天然中间体[3-8]，但是难处理的植物细胞壁阻碍糖的获得[3-9]。木素纤维素中大部分的葡萄糖被封锁在高度结晶的纤维素聚合物中。半纤维素——一种葡萄糖、木糖和其他糖的支链聚合物——以及木素——一种复杂的芳香族聚合物——包裹纤维素，使植物强健并保护植物。由这些多相原料获得糖类需要进行物理和化学破坏。使用酶法进行糖化是最普遍的，其先进行物理和化学预处理过程[10]，然后再用纤维素酶进行水解而制备糖类。对于给定的原料，适当地结合预处理和酶可确保从半纤维素和纤维素组分中高产率地制得糖类[11]。但是，酶水解的潜在缺陷是预处理和酶二者的成本(预计高达由纤维素生产乙醇成本的三分之一[12])以及低水解率。

还发展了仅使用化学方法来水解生物质的技术。早在1819年，Braconnot就已示例说明了亚麻溶解在浓H₂SO₄中，用水稀释然后加热，转化成一种可发酵的糖[13，14]。在这个实例中，浓酸在生物素水解中起到双重作用。强酸通过断裂纤维素网络中的链内和链间的氢键，使纤维素解晶，从而使它可以接触反应物[15]，此外，强酸通过催化糖苷键的水解，将纤维素和半纤维素分裂成糖(图1)[3]。Bergius将HCl的这些属性用于发展一种商用方法，该方法在1935至1948期间在德国实施[16，17]。在美国，也已经发展了一些使用H₂SO₄的相关方法，这些方法将纤维素和半纤维素转化成糖类的转化率通常为80-90％[18-22]。在最近的实例中，Cuzens和Farone使用浓H₂SO₄的水溶液通过Arkenol方法水解农业剩余物[23]，所述方法正由BlueFire Ethanol(Irvine，California，USA)商业生产。在该方法中，生物质用77％的H₂SO₄解晶，稀释至水含量大约为40重量％，然后在100℃水解。该第一步水解了几乎全部的半纤维素和一些纤维素。固体剩余物经进行第二步水解以释放剩余的葡萄糖。浓酸水解方法可获得高的糖产率，使用简单的催化剂，且仅需短暂的反应时间。然而尽管有这些优点，操作浓酸的危险性和将其回收再利用的复杂性限制了此技术的应用。

危险较少并且更易处理的纤维素溶剂可以促进木素纤维素水解。离子液体、熔点接近或低于室温的盐，有希望作为纤维素溶剂用于无纺布生产[24]和化学衍生[25，26]。和浓酸一样，包含氯离子、乙酸根和其他中等碱性阴离子的离子液体也能破坏纤维素网络的氢键并使之溶解[25-27]。基于对这些特性的认识，Zhao与合作者尝试了在1-丁基-3-甲基氯化咪唑鎓([BMIM]Cl)中水解纤维素[28]。他们通过使用11重量％的H₂SO₄和相对于纤维素中葡萄糖单体单元1.75当量的水(大约占反应混合物的1重量％)，在100℃下9小时后获得了产率为43摩尔％的葡萄糖。他们还报导了根据3，5-二硝基水杨酸(DNS)试验，获得了77％产率的总还原性糖(TRS)，但是没有讨论除了葡萄糖(它是期待的纤维素水解产物)之外还有哪些糖含有TRS。Zhao与合作者还报导了生物质材料例如玉米秸秆和稻杆在类似条件下的反应，获得了产率为66-81％的TRS，但没有报导葡萄糖的产率[28]。因此，很可能由木素纤维素生成的葡萄糖产率不高于用纯纤维素生成的葡萄糖产率。

在Zhao与合作者的报导之后，其他研究人员也作出了多个报导。Schüth与合作者使用固体酸催化剂使纤维素在[BMIM]Cl中解聚，获得了主要为非水溶性的低聚物而非葡萄糖[30]。最近，Jones与合作者在低水条件下，在[BMIM]Cl中水解松木，得到的单糖的摩尔产率通常＜20％[31]。Seddon与合作者研究了纤维二糖在1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓([EMIM]Cl)中的反应性，之后将他们的优化条件应用于纯纤维素和芒草(Miscanthus grass)，分别获得了50％和30％的葡萄糖产率[32，33]。这些由Zhao与合作者报导的在离子液体中获得的低葡萄糖产率与在浓酸和其他纤维素溶剂中可由纤维素获得几乎定量的葡萄糖产率相反[34]。

Zhao等人[53]和已公布的美国专利申请US 2008/0033187(公布日2008年2月7日)报导了一种在离子液体中转化碳水化合物以大产率生成呋喃的方法。这种方法包括将碳水化合物与离子液体混合至最高达其溶解度极限，然后在催化剂的存在下将碳水化合物加热至足以大产率地转化为呋喃的反应温度和反应时间。

2008年6月17日提交的美国临时申请61/073,285涉及一种将碳水化合物或碳水化合物原料在卤化物盐或其混合物的存在下以及任选地在酸性催化剂、金属卤化物催化剂或离子液体(最高达40重量％)的存在下在极性质子惰性溶剂中转化为呋喃的方法。所述碳水化合物原料可以为木素纤维素生物质。

已公布的美国专利申请2009/0062524(公布日2009年3月25日)涉及一种通过将纤维素溶解在离子液体中，然后“将它用酸处理，如果合适加入水”，从而全部或部分降解纤维素的方法。加入的酸和水的量调节为使纤维素达到“全部”或“部分”降解。该申请记载：“如果粘附到所用的纤维素上的水不足以使降解达到期望的程度，则水的加入可能是必要的”。水与酸一起加入纤维素的离子液体溶液中，或者离子液体酸与水预先混合，然后将纤维素溶解到此混合物中。水的添加量被进一步叙述为：

“常规纤维素中的水含量在5至10重量％范围内，以所用纤维素(纤维素+粘附的水)的总重量计。通过使用基于纤维素的脱水葡萄糖单元计过量的水和酸，完全降解达到葡萄糖的程度也是可能的。为获得部分降解，加入低于化学计量用量的水和酸，或者在该点终止反应。“

将纤维素完全降解为葡萄糖的方法的水的化学计量进一步讨论为：“如果......要将平均由x个脱水葡萄糖单元组成的纤维素完全降解成葡萄糖，那么需要x当量的水。这里，优选使用化学计量用量的水(n_{脱水葡萄糖单} _元/n酸＝1)(原文如此，相信意欲指n_水)或过量的水，优选基于x或过量＞3mol％。”申请中提供的一些实例说明了纤维素完全降解，然而未报导葡萄糖的产率以及是否存在副产物。

已公布的申请WO2009030950和WO2009030849(公布日均为2009年3月12日)涉及一种制备水溶性纤维素水解产物的方法，其中将纤维素与离子液体混合，然后将得到的溶剂化物或溶液在水的存在下用酸处理。报导称所述酸在25℃下在水中具有小于2的pK_a值。申请中这样叙述：

“水解反应需要对于纤维素中的每个单体单元存在1摩尔当量的水。纤维素本身含有一定量的水，其确切含量依赖于纤维素的来源和其物理形态，通常制备的纤维素含有至少10-15重量％的水。然而，在反应混合物中水的含量过高会导致纤维素在离子液体中的溶解度降低，和/或降低纤维素转化成水溶性水解产物的转化率。反应体系中优选的总含水量为使得水与纤维素的重量比为1∶1至1∶20，优选为1∶5至1∶15，特别是大约为1∶10。”

专利申请CN1128981，公布日为2008年10月22日，涉及一种在离子液体中水解纤维素的方法。在此方法中，离子液体据称用作溶剂；水，其当量重量等于或大于1mol，据称用作反应物；且无机酸，其催化用量为化学计量量，据称用作催化剂。报导称所述反应使用正常压力，在70至100℃的温度下反应2分钟至9小时。报导的还原性糖的最高产率为73％，相应的葡萄糖产率为53％。

已公布的专利申请WO2009047023(公布日2009年4月16日)涉及一种在水合熔融盐中转化纤维素的方法。熔融盐被描述为熔点低于200℃的盐，更具体是指无机盐的水合物和ZnCl₂的水合物。此方法据称可应用于除纤维素之外的包含木素和半纤维素的材料。

已公布的专利申请US20090020112(公布日2009年1月22日)涉及一种热解木素纤维素材料的方法，此方法包括将木素纤维素材料与离子液体结合，然后使此混合物经受热解条件，例如加热到约150℃至约300℃的温度，其中加热过程可以为厌氧的，以制备一种产物，此产物可以为例如5-羟甲基糠醛、糠醛2-甲基糠醛、levulonic acid、乙酰丙酸或者levoglucosensone。

已公布的专利申请WO2008112291和US20080227162(公布日均为2008年9月18日)涉及一种在离子液体中，在微波照射和/或压力下溶解木材、稻草和其他天然木素纤维素材料的方法。

虽然已进行大量努力来尝试提高由木素纤维素的水解来制备所需产物的产率，但是在本领域仍然存在对可获得高产率单糖的方法的大量需求。本发明提供一种水解纤维素和木素纤维素生物质的高产率的方法，此方法产生容易回收的糖，这种糖对于微生物生长和生物催化的乙醇生产是极好的原料。

发明内容

本发明提供一种将木素纤维素化学水解成单糖的高产率方法。此方法也可以应用于纤维素和木聚糖以及相关的生物质聚糖，例如半乳聚糖、甘露聚糖，或者阿聚糖。更通常地，本方法用于水解生物质聚糖基质。本方法在一种可以溶解纤维素的离子液体中进行。将催化酸加至溶于离子液体的聚糖和木素纤维素或它们的混合物的溶液中，然后将得到的混合物加热至足够引发水解的温度。反应通常在环境压力和约70至140℃的温度，优选85至115℃的温度进行。在一个具体实施方案中，反应在100-110℃进行。

在这个方法中不需要浓酸催化剂来获得高产率。酸催化剂的添加量以存在的聚糖或木素纤维素计为约5-40重量％，优选10-25重量％。在水解反应引发后将水逐渐地添加到反应混合物中，以达到水的总量为至少20重量％。水的添加速率为使得纤维素(或其他聚糖)不会沉淀并且基本不会抑制水解。在一个具体实施方案中，水的总含量逐渐增加至20重量％至35重量％。在其他的具体实施方案中，水的总含量逐渐增加至30重量％至45重量％。

在纤维素或其他聚糖的情况下，水解持续进行至获得葡萄糖的最大产率，同时使不期望的单糖脱水副产物例如羟甲基呋喃(HMF)的生产最小化。在一些具体实施方案中，由纤维素水解获得的葡萄糖产率等于或大于50％。在一些具体实施方案中，由纤维素水解获得的葡萄糖产率等于或大于75％。在一些具体实施方案中，由纤维素水解获得的葡萄糖产率等于或大于85％。在一些具体实施方案中，水解反应进行的时间为1-10小时，更优选1-5小时，更具体为2-3小时。在一个具体实施方案中，水解反应在100-110℃的温度进行1-4小时，更具体为2-3小时。如所述加入水减少了不期望的纤维素水解副产物的形成，特别是羟甲基呋喃(HMF)，其被认为至少部分源自单糖脱水。在一些具体实施方案中，HMF在水解中的产率为10％或更少。在一些具体实施方案中，HMF在水解中的产率为5％或更少。水解的单糖产物可以与离子液体分离出来，并且作为单糖的来源用于任何所需应用。在一个具体实施方案中，水解的产物可以从离子液体中分离出来并用作微生物生长和发酵产品(例如乙醇)的生产的单糖来源。在一个实施方案中，所述离子液体可以与水解产物分离，特别是通过一个合适的离子交换柱，并且所述离子液体可以任选地回收再利用。

在木素纤维素的情况下，水解过程可以通过一个或多个水解步骤进行，其间如上文所述逐渐地加入水，特别是可以通过一个水解步骤或两个水解步骤进行。在第一个水解步骤中，水解持续进行至获得葡萄糖的最大产率，同时使不希望的副产物如HMF最小化。其他单糖，例如木糖，也可以在第一步中通过水解纤维素以外的多糖(例如木聚糖，其可以存在于木素纤维素中)制得。葡萄糖以外的单糖的产率，例如木糖的产率，在第一步中可以高于50％。在一些具体实施方案中，第一步中的葡萄糖产率一般可以为10-30％。第一步的水解产物可以用过量的水稀释使剩余固体沉淀。第一步的水解产物可以与离子液体分离并作为单糖的来源用于任何所需应用。

第一步中沉淀的固体，例如，剩余的木素纤维素，可以进行第二步的水解，如上文所述也在逐渐加入水的情况下进行。进行第二步以获得葡萄糖的最大产率，同时使不希望的副产物最小化。由第一步和第二步水解合并的葡萄糖产率高于35％。在一些具体实施方案中，由第一步和第二步水解合并的葡萄糖产率高于40％。在其他的实施方案中，由第一步和第二步水解合并的葡萄糖产率高于50％。在一些具体实施方案中，由第一步和第二步水解合并的葡萄糖产率高于60％。在一些具体实施方案中，由第一步和第二步水解合并的葡萄糖产率为70％或更高。另外的单糖，例如木糖，也可以在第二步中制备。在一些具体实施方案中，第一步水解反应进行1-4小时，更具体为1-3小时。在一些具体实施方案中，第二步水解反应进行1-5小时，更具体为3-4小时。第一和第二步可以在相同或不同温度下进行，温度范围为70-140℃，更具体为85至115℃。在一些具体实施方案中，第一和第二步反应在相同温度下进行。在一个具体实施方案中，第一和第二步反应在100至110℃的大约相同的温度下进行。在一些具体实施方案中，第一步反应在110-110℃的温度下反应1-4小时，更具体为1-3小时。在一些具体实施方案中，第二步反应在110-110℃的温度反应1-5小时，更具体为3-4小时。

在一些具体实施方案中，希望使纤维素或其他生物质聚糖基本完全水解而非部分水解，从而制备DP比初始纤维素更低的纤维素。然而，当进行反应以制备含有单糖的水解产物时，反应优选持续进行至获得最高产率或者获得所需单糖或单糖混合物的最高合并产率。

本发明的方法不需要酶，例如纤维素酶，即可获得较高的单糖产率，特别是高葡萄糖产率。所述方法不需要使用浓酸即可获得较高的单糖产率，特别是高葡萄糖产率。木素纤维素材料不需要化学预处理或者酶的预处理即可从木素中释放纤维素或其他的生物质聚糖。木素纤维素材料优选进行机械预加工，在水解之前切碎、研磨和/或压碎。在一些具体实施方案中，木素纤维素材料压碎至通过100目筛。在一些具体实施方案中，木素纤维素材料压碎至通过40目筛。然而，本发明的方法可以应用到任何含有纤维素的材料，特别是木素纤维素，其中纤维素通过应用化学预处理或酶的预处理而至少部分地与木素分离。这种含有纤维素的材料可以含有纤维素之外的生物质聚糖，例如木聚糖。木素纤维素生物质可以任选地经受预处理，包括但不限于与下列物质接触：蒸汽、液态热水、稀酸、氨纤维爆破(AFEX)、石灰、和/或氨水。

在本文的一些具体实施方案中，水解在不存在金属盐或金属催化剂的情况下在本文所述的某些离子液体中进行。

在一些具体实施方案中，木素纤维素材料在根据本发明的方法在离子液体中在酸的催化下水解之前经受稀酸处理。所述木素纤维素材料可以在合适的温度、压力和时间下与稀酸接触，一般直至糖从木素纤维素材料的半纤维素中释放出来。可以形成添加有合适量的稀酸的木素纤维素材料的水浆。所述稀酸预处理步骤通常在140-225℃的温度下进行，更具体地在185℃至210℃的温度下进行，进行的时间相对较短，至多为10分钟，优选在1-5分钟之间。所述稀酸预处理可以在环境压力下进行，但是优选在环境压力以上的压力下进行，为环境压力(约1atm)至20atm，优选为5至15atm。在一些具体实施方案中，为进行稀酸预处理，制备含有20-40重量％的生物质的生物质水浆。酸以0.5至3重量％的量加入水浆中，更优选为0.75％至1.25％的量。可用的酸包括矿物酸，特别是硫酸、硝酸、盐酸或磷酸。在预处理后，将固体与含有一些释放出的糖类的含水液体分离，然后如本文所述使所述固体在离子液体中进行水解。预处理的固体可以经受干燥过程以在进行另外的水解之前除去剩余的水。如下文所述，当确定离子液体中的反应所要添加的水量时，需要考虑任何残留在待处理固体中的水。在一个特别优选的实施方案中，此方法以两步进行，即稀酸步骤和本文所述的第一个水解步骤，以获得希望的高单糖产率。预处理步骤可以在间歇式反应器、连续反应器或者流通式反应器(其中稀酸流经固体生物质)中进行。如上文所述，离子液体中的第一步水解通常在环境压力下和约70至140℃、优选在85至115℃的温度下进行。在一个具体实施方案中，反应在100至110℃进行。引发水解后，如上文所述将水逐渐地加入到反应中。

在本文的方法中，水在酸催化的纤维素水解引发之后加入，以增加葡萄糖的产率并最小化副产物的产生(例如HMF的产生)。控制加入水的时间和用量以避免纤维素沉淀，增加葡萄糖产率(或葡萄糖与其他单糖的结合产率)并且最小化不期望的脱水副产物的生成，例如HMF。容易理解的是，初始反应混合物中可含有附带的低水平的总水量，所述水存在于离子液体中、纤维素或木素纤维素中，或通过其他方式进入反应容器。根据纤维素的来源和物理形态，纤维素或木素纤维素本身可以含有的水。纤维素可以例如含有10-15重量％的水。经受过预处理(例如稀酸预处理)的木素纤维素材料可以含有水。通常，这些附带含有的水的存在的量至多为所有反应组分的约5重量％。当附带含有的水含量低于所有反应组分的约5重量％时，可以任选地将水添加到初始反应混合物中最高达相对于所有反应组分为约5重量％的量。可加入该初始添加的水的一部分以促进酸的加入。当在反应起始后加入水时，任何纤维素中的水或加入到初始反应混合物中的已知量的水在决定总水量时都要考虑。初始水含量优选足够低以避免任何大量的纤维素沉淀。纤维素沉淀可以例如通过观测离子液体中的浑浊用肉眼检测。如果待水解的材料中的水含量高于约5重量％，则任选地在水解之前对木素纤维素材料或纤维素进行至少部分干燥，以将水含量降低至约5重量％或更低。待水解材料中的含水程度可以用本领域已知的任何方法测定。当将材料加入到离子液体中并且至少部分溶解时，待水解材料中的含水程度应该足够低以避免沉淀。

在纤维素水解引发后，水加入到反应混合物中的过程可以用多种方法控制或调节。在反应起始后可以分步的方式，以选定的等分部分在选定的时间加入水。例如可以在反应起始后10分钟时向初始含有5重量％水的反应中加入15重量％的水，以在反应引发后10分钟内达到20重量％的目标含水量。或者，可以在10分钟内以规律间隔加入较小等分部分的水，以在反应引发后10分钟内达到20重量％的目标含水量。在一些具体实施方案中，可以连续地以选定的速率在选定的间隔内加入水，以在目标时间获得所需的目标含水总量。水的加入以反应混合物中的水(包括存在于所有反应组分——包括待水解的材料——中的水)的总重量％测定。

在一些实施方案中，将水加入到反应混合物中使得在反应起始后3-10分钟内达到5-20重量％的含水总量。在一些实施方案中，将水加入到反应混合物中使得在反应起始后3-10分钟内达到5-20重量％的含水总量，再加入另外的水使得在反应起始后10-30分钟内达到20-35重量％的含水总量。在一些实施方案中，将水加入到反应混合物中使得在反应起始后3-10分钟内达到5-20重量％的含水总量，再加入另外的水使得在反应起始后10-30分钟内达到20-35重量％的含水总量，然后再加入另外的水使得在反应起始后30-60分钟内达到35-45重量％的含水总量。

在一些具体实施方案中，将水加入到反应中使得在反应起始后10分钟内获得相对于反应混合物20重量％的含水总量。在一些具体实施方案中，将水加入到反应中使得在反应起始后10分钟内获得20重量％的含水总量，然后加入另的水使得在反应起始后60分钟内达到40-45重量％的含水总量。在一些具体实施方案中，将水加入到反应中使得在反应起始后10分钟内获得20重量％的含水总量，然后加入另外的水使得在反应起始后30分钟内达到30-35重量％的含水总量。在一些具体实施方案中，将水加入到反应中使得在反应起始后10分钟内获得20重量％的含水总量，然后加入另外的水使得在反应起始后20分钟内达到25重量％的含水总量。在一些具体实施方案中，将水加入到反应中使得在反应起始后10分钟内获得20重量％的含水总量，再加入另外的水使得在反应起始后30分钟内达到30-35重量％的含水总量，然后再加入另外的水使得在反应起始后60分钟内达到40-45重量％的含水总量。

在一个实施方案中，催化酸是一种有机或无机(矿物)酸，特别是一种25℃下的pK_a为1或更小的酸。在一个具体实施方案中，所述催化酸是HCl。在一个具体实施方案中，所述催化酸是H₂SO₄。在其他实施方案中，所述催化酸是HBr。在其他实施方案中，所述酸为硝酸。在其他实施方案中，所述催化酸是三氟乙酸。所述催化酸可以为这些酸的混合物。所述酸可以以水溶液的形式应用。

在一个实施方案中，反应混合物基本由离子液体、催化酸、水(初始的+水解引发后加入的)和纤维素或木素纤维素组成。在一个实施方案中，反应混合物包含离子液体、催化酸、水(初始的+水解引发后加入的)和纤维素或木素纤维素以及25重量％或更少的助溶剂。在一个实施方案中，反应混合物包含离子液体、催化酸、水(初始的+水解引发后加入的)、纤维素或木素纤维素以及10重量％或更少的助溶剂。

所述离子液体氯化物盐溶解纤维素，并且据信其可促进增加葡萄糖的产率。将纤维素引入离子液体中并且剧烈搅拌或混合以促进溶解。任选地，在加入酸并且引发反应之前将纤维素在离子液体中搅拌至少1小时。如果在引发反应之前将纤维素在离子液体中混合长达3小时，长达6小时或长达9小时，可以获得增加的葡萄糖产率。离子液体与木素纤维素的预混合可以在环境温度下进行，或者，基于离子液体的熔点或软化点，在环境温度至140℃的温度下进行。为了便混合，离子液体应当为液态或至少为软化态。更具体地，预混合可以在反应温度下进行，特别是在70至140℃的温度下进行。

离子液体氯化物盐使木素纤维素解晶，并且至少部分地溶解其中的纤维素。所述离子液体被认为促进增加葡萄糖产率。将木素纤维素引入离子液体中然后剧烈搅拌或混合以促进其解晶或溶解。任选地，在加入酸并开始反应之前将木素纤维素在离子液体中搅拌至少一个小时。如果在引发反应之前将木素纤维素在离子液体中混合长达3，长达6或长达9小时，可以获得增加的葡萄糖产率。离子液体与木素纤维素的预混合可以在环境温度下进行，或者基于离子液体的熔点或软化点在高于环境温度的至高达140℃的温度进行。离子液体应当为液态或至少被软化(以便混合)。更具体地，预混合可以在反应温度下进行，特别是在70至140℃之间的温度进行。

在一个实施方案中，所述离子液体是一种有机盐，其中的阴离子是氯离子、三氟乙酸根、三氯乙酸根、三溴乙酸根和硫氰酸根，并且纤维素在其中至少部分可溶。所述离子液体在反应的温度和压力下为液体。在一个具体实施方案中，所述离子液体在反应温度和环境压力下为液体。在一个实施方案中，所述离子液体氯化物盐是一种咪唑鎓盐。在一个实施方案中，所述离子液体氯化物盐是一种C₁-C₆-烷基咪唑鎓盐。在一些具体实施方案中，所述离子液体是[EMIM]⁺或者[BMIM]⁺或者1-乙基-2，3-二甲基咪唑鎓阳离子的一种盐。在另一个实施方案中，所述离子液体是吡啶鎓盐。在另一个实施方案中，所述离子液体盐是一种C₁-C₆-烷基吡啶鎓盐。在一些具体实施方案中，所述离子液体是一种1-烷基吡啶鎓盐，特别是其中的烷基为C₁-C₆-烷基。在一些具体实施方案中，所述离子液体盐是1-乙基吡啶鎓阳离子盐或者1-丁基-4-甲基吡啶鎓阳离子盐。另外的离子液体有机阳离子叙述于US 2009/0062524、WO2009030950、WO2009030849、US20090020112、WO2008112291、US20080227162以及WO2009024607，其各自以引用方式纳入本说明书以用于描述这些阳离子。

在一个具体实施方案中，所述离子液体是一种有机氯化物盐，纤维素在其中至少部分可溶。所述离子液体在反应温度和环境压力时为液体。在一个实施方案中，所述离子液体氯化物盐是一种氯化咪唑鎓。在一个实施方案中，所述离子液体氯化物盐是一种C₁-C₆-烷基氯化咪唑鎓。在一些具体实施方案中，所述离子液体氯化物盐是[EMIM]Cl或[BMIM]Cl或1-乙基-2，3-二甲基氯化咪唑鎓。在另一个实施方案中，所述离子液体氯化物盐是一种氯化吡啶鎓。在另一个实施方案中，所述离子液体盐是C₁-C₆-烷基氯化吡啶鎓。在一些具体实施方案中，所述离子液体盐是1-烷基吡啶鎓盐，特别是其中的烷基为C₁-C₆-烷基。在一些具体实施方案中，所述离子液体盐是1-乙基氯化吡啶鎓或者1-丁基-4-甲基氯化吡啶鎓。另外的离子液体有机阳离子叙述于US2009/0062524、WO2009030950、WO2009030849、US20090020112、WO2008112291、US20080227162和WO2009024607，其各自以引用方式纳入本说明书以用于描述这些阳离子。

在一个实施方案中，所述离子液体是一种有机盐，其中的阴离子是一种pK_a小于1的酸的共轭碱，例如氯离子是pK_a为-1的HCl的共轭碱，三氟乙酸根是pK_a为0.3的三氟乙酸的共轭碱。在此实施方案中更特别地，离子液体的阳离子是咪唑鎓。在一个实施方案中，阳离子是C₁-C₆-烷基咪唑鎓。在一些具体实施方案中，阳离子是[EMIM]⁺或者[BMIM]⁺或者1-乙基-2，3-二甲基咪唑鎓。在另一个实施方案中，阳离子是吡啶鎓。在另一个实施方案中，阳离子是C₁-C₆-烷基吡啶鎓。在一些具体实施方案中，阳离子是1-烷基吡啶鎓盐，特别是其中的烷基为C₁-C₆-烷基。在一些具体实施方案中，阳离子是1-烷基吡啶鎓离子，特别是其中的烷基为C₁-C₆-烷基。在一些具体实施方案中，阳离子是1-乙基吡啶鎓或者1-丁基-4-甲基吡啶鎓。C₁-C₆-烷基包括直链的、支链的或环状的烷基。具体的烷基为甲基、乙基、正丙基和正丁基。

在应用于纤维素或其他生物质聚糖时，在一个实施方案中，生物质聚糖在初始反应混合物中的浓度范围为1-25重量％，更具体地为5-10重量％、5-25重量％、10-25重量％、15-25重量％、或是20-25重量％。

在应用于木素纤维素时，在一个实施方案中，木素纤维素在初始反应混合物中的浓度范围为1-25重量％，更具体地为5-10重量％、5-25重量％、10-25重量％、15-25重量％、或是20-25重量％。

本发明的方法可以应用于任何木素纤维素材料，特别是源自于生物质的木素纤维素材料，所述生物质包括但不限于木材或木质材料、废纸、植物、作物和农业剩余物(例如玉米秸秆、小麦杆、大麦杆、大豆茎、甘蔗渣)、非木本植物的叶和茎、以及草(柳枝稷(switchgrass)、芒草(Miscanthus))。在一个实施方案中，此方法适用于含有20-25％干重的纤维素的木素纤维素材料。

在一个实施方案中，在离子液体中形成的一种或多种水解产物可以通过一种强阳离子交换树脂与离子液体分离出来。在一个实施方案中，所述强阳离子交换树脂是一种交联的聚苯乙烯阳离子交换树脂，其中的树脂是与二乙烯基苯交联的，并用硫酸处理以制成强酸性树脂。所述树脂可以通过聚合氯化乙烯基苯和二乙烯基苯，然后用亚硫酸钠处理制得强酸性树脂来制备。可用的树脂包括但不限于，PCR833(Purolite Inc.)、Dowex 50WX4和DowexMonosphere 99(DowChemical)、Amberlite 1310CR(Rohm & Haas)，以及DiaionUBK555(Mitsubishi Chemical)。为回收离子液体，在将树脂用于分离离子液体阳离子(例如1-乙基-3-甲基咪唑鎓阳离子)之前，必须进行交换。在一个实施方案中，离子液体中的水解产物被吸附在树脂上然后用水洗脱。在一个实施方案中，树脂加热到40-70℃。在一个具体实施方案中，树脂加热到65℃。

在一个具体实施方案中，本发明提供一种水解木素纤维素制备单糖(包括单糖混合物)的方法，其包括在如本文所述的、至少可以部分地溶解纤维素的离子液体中进行至少两个水解步骤。在该具体的实施方案中，从第一水解步骤中移出剩余的固体以传至第二水解步骤。由该第一步骤获得的一种或多种水解产物通过流经强阳离子交换树脂与离子液体分离，所述树脂已经与使用的离子液体中的阳离子交换。分离出的离子液体返回在第二步骤水解中重新使用。当进行两步以上的水解时，将在前步骤的一种或多种水解产物与离子液体分离，这样所述离子液体返回在下一个步骤中重新使用。从每一步骤中分离出的水解产物任选地合并，用作单糖的来源。在更具体的实施方案中，所述离子液体中的阴离子为氯离子、三氟乙酸根、三氯乙酸根、三溴乙酸根或硫氰酸根。

在一个具体实施方案中，本发明提供一种水解木素纤维素制备单糖(包括单糖混合物)的方法，其包括在如本文所述的、可以至少部分地溶解纤维素的离子液体中进行一个水解步骤。此方法还包括至少一个在水解之前进行的对木素纤维素生物质的预处理步骤。预处理可以包括但不限于与下列物质的一种或多种接触：蒸汽、液态热水、稀酸、氨纤维爆破(AFEX)、石灰和/或氨水。预处理可以以一个或多个步骤进行，然而，为减少加工成本，预处理步骤优选最小化。在一个具体实施方案中，仅进行一个预处理步骤以最小化成本。在一个具体实施方案中，预处理步骤是在约140-225℃、更具体为185℃至210℃、优选190至200℃下用稀酸水溶液处理生物质至多达10分钟，更优选至多5分钟，更具体为1-10分钟或优选1-5分钟。这种一个或多个预处理步骤优选将半纤维素从生物质中水解出来，留下的纤维质固体继续在本文所述的离子液体中进行水解以释放葡萄糖(或其他单糖)。将预处理释放的任何单糖与在离子液体中水解生成的单糖合并。单糖从离子液体中分离出来，然后离子液体回收用于水解其他材料。

本发明还提供一种水解用酸预处理过的生物质的方法，其中包括在本文所述的离子液体中进行一个水解步骤，其中在如本文所述引发水解后如本文文所述加入水。

在一个具体实施方案中，本发明方法的水解产物用作单糖原料用于一种或多种微生物的生长，特别是用于一种或多种细菌或酵母的生长。在一些具体实施方案中，所述微生物为产生乙醇的或产生溶剂的微生物，它们可发酵这种水解产物以产生乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、多种有机酸或其混合物。本发明也提供含有低水平的不希望的糖脱水副产物(例如HMF)的发酵原料。这类脱水产物在本发明发酵原料中的水平为低于20重量％，优选低于10重量％或更少，5重量％或更少，或是3重量％或更少。

附图说明

图1是一张化学流程图，显示纤维素和木聚糖的水解反应。纤维素和半纤维素化学水解成单糖的过程经过低聚体阶段，并伴随有形成呋喃和其他降解产物的副反应。

图2是一张示意性的流程图，展示使用离子液体生物质水解的生物燃料生产的集成方法。在一个具体实施方案中，可以使用离子交换方法进行分离。此过程包括任选地进行机械和/或化学预处理步骤，任选但是优选地在离子液体中解晶，在控制地加入水的情况下在离子液体中水解；以及分离，并任选但是优选地回收离子液体。产物糖任选地用于发酵以制备所需产物，例如乙醇。

图3是一张展示在[EMIM]Cl中酸-催化降解葡萄糖的图表。在酸性[EMIM]Cl中，葡萄糖(菱形)在100℃迅速地消失，形成HMF(方块)和其他降解产物。增加的水含量减慢葡萄糖的损失。反应条件：葡萄糖，10重量％；H₂SO₄，相对于葡萄糖计为4重量％。

图4是一张展示在[EMIM]Cl中纤维素水解过程中葡萄糖、HMF和纤维二糖生成的图表。葡萄糖浓度在4小时内随着纤维素低聚物(例如纤维二糖)的水解而增加。纤维素在标准的优化反应条件下反应。

图5展示生产乙醇的微生物在玉米秸秆水解产物糖上的需氧生长。细菌大肠杆菌(Escherichia coli)(A)和酵母树干毕赤酵母(Pichiastipitis)(B)在作为它们唯一碳源的玉米秸秆水解产物糖上迅速生长。在水解产物上，大肠杆菌的平均倍增时间为2.77小时，在纯的糖上倍增时间为2.95小时。

具体实施方式

本发明至少部分基于示例说明一种有效的聚糖水解体系，以及分离和发酵所得糖的方法。本发明的方法通常适用于生物质聚糖，即，在生物质中存在的聚糖，例如纤维素、木聚糖、甘露聚糖、半乳聚糖和阿聚糖。所述方法也适用于木素纤维素生物质。所述方法也适用于预处理的木素纤维素生物质，特别是用稀酸预处理过的这些生物质。

通过平衡聚糖(例如纤维素)与水的溶解度和反应性，由木素纤维素生物质生产的糖的产率可数倍高于先前在离子液体中所达到的产率，并且接近酶水解的产率。并且，水解产物可容易地通过微生物转化成乙醇或其他的所需产物。本发明提供一种用于水解生物质以制备可发酵的糖的改进的方法。本发明还提供一种用于化学水解生物质以生产生物燃料的集成方法(图2)。首先，木素纤维素生物质(例如玉米秸秆)任选地进行机械和/或化学预处理，例如用稀酸处理，然后将所述生物质任选但优选地与离子液体混合以解晶。之后使生物质在离子液体中经受酸催化的水解，其间如本文所述控制地加入水。剩余的木素和纤维素固体任选地进行第二个水解步骤，同时将液体水解产物与离子液体分离，例如使用离子排斥色谱分离。如果需要可以在离子液体中进行另外的水解步骤。在离子排斥步骤中回收的离子液体任选地除去水并且再循环，同时水解产生的糖可任选地发酵成燃料和/或其他生物产品。

通过本文的水解方法制得的水解产物糖除发酵之外还可用于多种应用。木素纤维素生物质材料可以任选地经受预处理步骤，所述步骤可以进一步改进加工方法。

因此本发明提供一种制备燃料的方法，所述燃料例如乙醇或丁醇或其他生物产品，此方法包括本发明的改良的生物质水解步骤。在本领域中，由含有单糖的原料制备乙醇、丁醇和其他有用产物的发酵方法是已知的。例如，Mosier等人[56]最近报导了生产乙醇的生物质转化以及用于此过程的木素纤维素材料的预处理和水解。此参考文件以引用的方式全文纳入本说明书以说明这种发酵过程。

与现有的生物质水解的酶法或化学方法相比，本发明的离子液体体系具有许多引人注意的特性。与浓酸方法类似，它使用廉价的化学催化剂而非酶，并且避免了独立的预处理步骤。离子液体体系例如[EMIM]Cl和HCl协同作用，仅在105℃下于数小时内就产生较高的糖产率，而酶水解需要数天[12]而且许多预处理方法需要160至200℃的温度[10]。另外，木素纤维素用离子液体溶解，使其可以高浓度进行加工，这在酶水解中是一个问题。另一方面，离子液体方法通过避免使用危险的浓酸而对常规的酸水解方法作出了改进。使用催化用量的稀酸免除了再循环大量浓酸的复杂性和危险性。就地使用的离子液体可能容易处理得多。尽管有这些区别，但离子液体方法与使用浓酸的商业水解方法相似[16，23]。因此，可以利用经验证的工程方法和设备从而容易地扩大生产规模。

本文使用的术语“离子液体”意在具有不与本文公开内容矛盾的本领域公认的最广泛含义。离子液体是一种在接近或低于环境室温下熔化的盐。就在本发明方法中的应用而言，离子液体在反应温度下为液体。术语“含氯的离子液体”是指其中该盐的阴离子是氯离子的离子液体。类似的术语“含具有阴离子的离子液体”是指其中该盐的阴离子是所给阴离子的阴离子液体。类似地，一组离子液体可以通过命名离子液体中的一类或一组阳离子来描述，例如含吡啶鎓的离子液体。可用于本发明的离子液体是一种至少可以部分地溶解纤维素的离子液体，即可以溶解至某种可测量的程度。优选地，离子液体是一种可以溶解接触的多至约5-25重量％或更多纤维素的离子液体。更优选地，离子液体是一种可以溶解接触的最多至约25重量％或更多的纤维素的离子液体。木素纤维素材料不必溶解在离子液体中。通过与离子液体接触或混合，这种材料可以被解晶、溶胀、部分溶解或破坏结构。本领域已经证实多种离子液体可以溶解纤维素。多种离子液体是市售的，或是可以用本领域已知的方法制备。本文的方法明确指出将酸催化剂加到离子液体中以进行水解反应。然而，购买的或制备的离子液体页可以含有一定量的酸。在优选的实施方案中，为了反应的一致性，优选不含酸剩余物或污染物的离子液体。当购买的或制备的离子液体中含有酸时，不需要加入酸或加入减量的酸以进行水解反应。

尽管本发明的方法并不要求，但可以与离子液体结合使用合适的助溶剂。助溶剂可以例如加到离子液体中以降低反应混合物的粘度或者增强反应组分的混合或者增强反应混合物的流动性。合适的助溶剂包括极性质子惰性溶剂，主要包括二烷基乙酰胺，特别是二甲基乙酰胺(DMA)、二乙基乙酰胺(DEA)或乙腈。在其他实施方案中，所述助溶剂为二烷基甲酰胺，包括二甲基甲酰胺；吡咯烷酮，包括烷基-或N-烷基取代的吡咯烷二酮或者更具体地包括甲基吡咯烷二酮、或者是1-乙基-2-吡咯烷酮；环丁砜；二烷基亚砜，特别是二甲基亚砜；二噁烷；烷基或N-烷基取代的内酰胺，包括N-甲基己内酰胺；二烷基丙酰胺，包括N，N-二甲基丙酰胺；具有6-12个碳原子的醇，包括正丁醇；1-吡咯烷甲醛(1-pyrollidine carboxaldehyde)；或是它们的互溶混合物。优选的助溶剂包括DMA、N-甲基吡咯烷酮和乙腈。吡啶不是本发明的优选助溶剂。优选助溶剂是无水的。在一些具体实施方案中，助溶剂的存在量为小于反应混合物的25重量％。在其他的实施方案中，助溶剂的存在量为小于反应混合物的10重量％。在其他的实施方案中，助溶剂的存在量为小于反应混合物的5重量％。在一些具体实施方案中，助溶剂的存在量为反应混合物的1-25重量％。在一些具体实施方案中，助溶剂的存在量为反应混合物的1-10重量％。在一些具体实施方案中，助溶剂的存在量为反应混合物的1-5重量％。

在一些具体实施方案中，离子液体的阳离子是有机阳离子，特别是含有至少一个带正电荷的氮原子。在一些具体实施方案中，所述离子液体是烷基咪唑鎓离子液体，更特别地是烷基氯化咪唑鎓离子液体。在另外的具体实施方案中，所述离子液体是1，3-二烷基氯化咪唑鎓或者1，2，3-三烷基氯化咪唑鎓。在一些具体实施方案中，烷基取代基具有1-6个碳原子，更具体地具有1-3个碳原子。在更具体的实施方案中，所述离子液体是[EMIM]Cl(1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓)、[BMIM]Cl(1-丁基-3-甲基-氯化咪唑鎓)，或者1-乙基-2，3-二甲基氯化咪唑鎓，或其混合物。在一些具体实施方案中，所述离子液体是一种烷基吡啶鎓离子液体，更具体的是一种烷基氯化吡啶鎓离子液体。在另外的具体实施方案中，所述离子液体是1-烷基吡啶鎓离子液体或者1，4-二烷基氯化吡啶鎓。在更具体的实施方案中，所述离子液体是1-乙基氯化吡啶鎓、1-丁基-4-甲基氯化吡啶鎓，或其混合物。其他可以用于本发明的离子液体，特别是那些离子液体盐的阴离子是氯的离子液体，提供于US 2008/0033187中。离子液体的其他有机阳离子叙述于US2009/0062524、WO2009030950、WO2009030849、US20090020112、WO2008112291、US20080227162和WO2009024607，其各自以引用的方式纳入本说明书以说明这种阳离子。

此外，可以用于本发明的离子液体的有机阳离子包括1，3-二甲基咪唑鎓、1-己基-3-甲基咪唑鎓和通常带有具有6个或更少个碳原子的烷基链的1，3-二烷基咪唑鎓阳离子；1-R’-3-烷基咪唑鎓，其中R为具有1-6个碳原子的烯基，例如烯丙基，或为被芳基(特别是苯基)取代的烷基，所述芳基可以任选地被取代，例如1-苄基-3-烷基咪唑鎓或任选取代的1-苄基-3-烷基咪唑鎓；1，3-二烷基吡啶鎓，其中的烷基可以相同或不同并具有1-6或1-3个碳原子，例如1-丁基-3-甲基吡啶鎓；以及N-取代的吡啶鎓阳离子，例如被具有1-6或1-3个碳原子的烷基取代的吡啶鎓阳离子，例如3-甲基-N-丁基吡啶鎓。

以下阳离子在本方法中不是优选使用的，因为它们预期的纤维素溶解性差：1-辛基-3-甲基咪唑鎓(和更高级的烷基链)；1-辛基-3-甲基吡啶鎓(和更高级的烷基链)；N-辛基吡啶鎓(和更高级的烷基链)。

本文所用的术语“生物质聚糖基质”通常指生物质聚糖，指含有生物质聚糖的木素纤维素或木素纤维素生物质。“生物质聚糖”指任何源自生物质的聚糖，具体地主要包括纤维素、甘露聚糖、木聚糖、半乳聚糖、以及阿聚糖。给定的木素纤维素或木素纤维素生物质中可以含有多于一种的生物质聚糖。水解给定的生物质聚糖可以获得单糖的混合物。

本文使用的术语“木素纤维素”或“木素纤维素材料或生物质”是指源自任何含有木素和纤维素的来源的材料。木素纤维素和木素纤维素材料中可以含有其他生物质聚糖，例如半纤维素、木聚糖、阿聚糖或者甘露聚糖。通常，在这种材料中的纤维素和其他生物质聚合物与木素紧密地结合。木素纤维素或木素纤维素材料可以用本领域已知的方法预处理，可以用物理方法(研磨、切碎或捣碎)或用化学方法或生物方法(例如酶处理)，这样可以增加纤维素或其他生物质聚糖的易水解性。然而，这种化学或生物预处理并非本发明实践所要求。木素纤维素材料主要包括木材残渣、废纸、农业剩余物以及能源作物(例如木本草，例如柳枝稷或芒草)。木素纤维素和木素纤维素材料可以含有水。本发明的优选的生物质聚糖基质含有少于20重量％的水，更优选地含有15重量％或更少的水。可以用本领域已知的方法降低这些材料中的含水量。

本文使用的术语“纤维素”广泛地包括源自任何来源的纤维素，并且包括α-纤维素、β-纤维素和γ-纤维素及其混合物。纤维素的特征在于它的聚合程度(DP，脱水葡萄糖单元的数目)可以为几万到几百，例如，10000-12000至300。本文使用的纤维素还指未衍生的纤维素或者纤维素的衍生物，例如乙基-或甲基纤维素、羟烷基纤维素(例如羟丙基纤维素)、羧甲基纤维素、或其混合物。在一些具体实施方案中，本发明的方法特别适用于水溶性的纤维素或纤维素衍生物。在一些具体实施方案中，本发明的方法特别适用于源自天然来源并未经化学改性的纤维素。本发明优选的纤维素含有少于20重量％的水，更优选地含有15重量％或更少的水。可以用本领域已知的方法降低纤维素中的含水量。

文中所用的术语“水解产物”是指在本发明方法中制得的至少主要含有单糖的产物。所述水解产物通常以一种或多种单糖的水溶液的形式制得。水解产物中还可以含有二糖(例如纤维二糖)和相对少量的糖类低聚物(例如三至六糖)，优选低于10重量％。优选地，所述水解产物中仅含有少量的单糖脱水产物，例如呋喃，例如糠醛或HMF，这样所述水解产物对微生物没有毒性从而可以用作单糖原料。优选地，水解产物中仅含有少量的有潜在毒性的水解副产物，例如乙酰丙酸，使得所述水解产物对微生物没有毒性从而可以用作单糖原料。在一些具体实施方案中，水解产物(已除去水)含有75重量％或更多的一种或多种单糖。在一些具体实施方案中，水解产物(已除去水)含有90重量％或更多的一种或多种单糖。在一些具体实施方案中，水解产物(已除去水)含有95重量％或更多的一种或多种单糖。在一些具体实施方案中，水解产物含有少于10重量％的糠醛、HMF或乙酰丙酸。在一些具体实施方案中，水解产物含有少于5重量％的糠醛、HMF或乙酰丙酸。在一些具体实施方案中，水解产物含有少于2.5重量％的糠醛、HMF或乙酰丙酸。在一些具体实施方案中，水解产物含有少于10重量％的糠醛、HMF和乙酰丙酸的结合物。在一些具体实施方案中，水解产物含有少于5重量％的糠醛、HMF和乙酰丙酸的结合物。在一些具体实施方案中，水解产物含有少于2.5重量％的糠醛、HMF和乙酰丙酸的结合物。

在本文的方法中在水解反应“引发”后将水加入到水解反应混合物中以增加单糖的产率并减少不希望的副产物的形成。当足够量的酸催化剂与聚糖或木素纤维素和离子液体合并、并且所得混合物被加热到通常高于环境温度并足以使水解发生的温度时，反应通常被引发。出现水解通常需要的温度为约70℃或更高。出现水解通常需要相对于聚糖或木素纤维素材料约5重量％的酸催化剂。可以用多种方式触发水解的开始。例如，可以通过将酸加入到处于反应温度的聚糖或木素纤维素在离子液体中的混合物之中来触发。或者，可以将离子液体中的聚糖或木素纤维素与酸的混合物加热到反应温度来触发。或者，可以将聚糖或木素纤维素在反应温度加入到离子液体与酸的混合物中来触发。或者，触发需要酸与聚糖或木素纤维素材料在反应温度相互作用，因此可以通过充分地混合反应组分来触发反应开始。或，可以使用这些触发方法的结合。在一个优选实施方案中，通过加入酸或者提高聚糖或木素纤维素在离子液体中的混合物的温度来触发反应。在反应过程中任一次添加所加入的水的量不应抑制或猝灭水解。然而，当期望停止或猝灭所述水解反应时，例如，当达到希望的葡萄糖产率时，此时一种猝灭反应的方法是加入大量过量的水。

在一些具体实施方案中，所用的一批离子液体的酸度足以使纤维素水解而不需要加入酸催化剂。相信批次和批次之间的离子液体的酸度可以不同，并且随来源(例如，给定市售离子液体的制造商，或是制备离子液体化合物所用的合成方法)而变。酸的量可以根据使用的制造或纯化离子液体的方法而不同。这样，被足够量的酸污染的离子液体可能不需要添加酸催化剂，或者可能需要添加被本文所述更少量的酸催化剂。本领域普通技术人员会了解，存在多种评估酸度的公知方法，可以用于在将离子液体用在本发明方法之前估测其酸度。一种可用的方法是标准酸碱滴定法。

本领域普通技术人员可以理解，酸催化剂的用量和引发反应的温度取决于被水解的基质、酸的类型和反应条件的其他细节，包括如上文所述的所用的离子液体的来源。控制加入的水的量以避免聚糖沉淀，并且使副产物的生成最少，特别是糖类脱水产物。加入催化剂和升温的次序没有特别限制，然而，通常将离子液体中的混合物加热到反应温度然后加入酸。应了解，通常将反应混合物混合以引发反应，如果反应混合物没有被充分混合或充分搅拌，反应可能被抑制，特别是当反应混合物粘稠的时候。通常，在加入酸之前剧烈搅拌离子液体中的混合物并加热到反应温度，在加入酸催化剂时持续剧烈搅拌。通常在加入另外的水时连续搅拌反应混合物。

水解反应或反应步骤在高于环境温度的温度下进行。反应通常在环境压力和约70至140℃的温度进行，优选在85至115℃，更具体在100至110℃。反应可以用任何已知方法加热，包括热力加热、微波加热、红外加热或者超声加热。可以发现，在增加的压力下或在低于环境的压力下进行反应是有益的，如果使用非环境压力，本领域技术人员应知晓反应温度可被调整适合于选定的压力。可以在空气中(环境压力)进行所述反应。可以发现有益的是在更惰性的气氛中，例如在氮气或惰性气体中进行反应。然而，排除氧气并不是本发明方法的必要条件。

尽管并非本方法所必须，生物质聚糖基质，例如木素纤维素材料(生物质)，可以在离子液体中水解之前经受多种预处理步骤，如文中所述。可以进行本领域已知的机械预处理包括切碎和/或研磨至所需的颗粒尺寸。其他的预处理方法，主要包括暴露于蒸汽、热水、稀酸、AFEX、ARP和暴露于石灰。这样的预处理的目标是从木素中释放纤维素和半纤维素。Mosier等人[56]提供了关于这些预处理步骤的近期综述，因此以全文引用的方式纳入本说明书以进行描述。

本发明的化学水解方法使集成的生物质转化方法具有灵活性。由于离子液体溶剂使得生物质聚糖容易进行化学反应，此方法可能适用于广泛的生物质原料。在下游，由离子液体水解产生的糖类是用于生产几乎无限范围的燃料和化学品的灵活原料。大肠杆菌可容易地利用水解产生的糖类，已经被工程改造为不仅生产燃料乙醇，也生产1-丁醇、2-丁醇、支链醇、脂肪酸、类异戊二烯、甚至氢[47-49]。并且，水性糖流体可以通过催化方法转化成燃料或化学中间体[50-51]。酶水解方法通常需要与发酵结合(同时糖化和发酵)以防止产物抑制，与其不同，所述化学方法可以适用于任何下游的转化过程。最后，由离子液体生物质水解转化的木素可以是有价值的副产物。Jones与合作者指出，在离子液体中生物质水解形成的木素剩余物相对未改性，说明它可以成为一种极佳的原料用于制造价值高的木素产品[31，52]。因此，我们的方法可使用简单的化学试剂来克服生物质的难处理性并释放了有价值的糖类，具有支持多功能生物精炼的潜质。

基于以上所述，本发明提供了制备多种燃料和化学品的方法，其包括水解生物质聚糖基质以制备含有单糖(特别是葡萄糖)原料的步骤，以用于后继生产燃料或化学品。水解，如文中所述，又包含以下步骤：将生物质聚糖基质与离子液体接触以使聚糖至少部分地溶解于离子液体中，如文中所述，其中离子液体的阴离子是氯离子、三氟乙酸根、三氯乙酸根、三溴乙酸根或硫氰酸根；将所得混合物加热到反应温度然后以足以引发聚糖水解的量加入酸催化剂；然后在水解反应引发后向反应混合物中加入水，以使水的总含量至少为20重量％。如文中所述，水解包括加入水以避免聚糖沉淀和水解抑制并且使糖(例如单糖)产物的脱水程度最小化。在一些具体实施方案中，本发明提供了使用水解的糖制备乙醇、1-丁醇、2-丁醇、支链醇、脂肪酸、脂肪酸酯、类异戊二烯、甚至氢的方法[47-49]。

本发明提供了以本文所述的水解方法由生物质制得的改良的发酵原料。所制得原料通常含有少量的不希望的糖脱水产物，例如HMF，其通常在这类用于发酵(特别是细菌发酵)的原料中是不希望的。本发明的改良原料含有20％重量或更少的这类脱水产物，特别是HMF。本发明的改良原料含有15重量％或更少、10重量％或更少、5重量％或更少、2重量％或更少、或者是1重量％或更少的这类脱水产物，例如HMF。

本发明提供改进的发酵和生物转化方法，其中用于所述发酵或生物转化的原料由本发明的水解方法制得。并且，由本发明水解方法制得的含糖水性流体也可以通过催化方法转化成燃料或化学中间体[50，51]。因而，本发明提供了改进的催化方法，其使用由本发明水解反应制得的原料制备燃料或化学品。酶水解反应通常需要与发酵结合(糖化和发酵同时进行)以防止产物抑制，与其不同，本发明的化学水解方法可以与任何下游的转化过程相匹配。此外，在本发明的离子液体生物质水解物中回收的木素可以是一种有价值的副产品。如Jones与合作者所提出的，源自离子液体生物质水解的木素剩余物相对而言并未改性，表明其可以为用于高价值木素产品的极佳原料[31，52]。因此，本发明也提供将木素转化成这种木素产品的方法，其使用本发明的水解方法制备用于上述方法的木素原料。

当本文文公开了一组化学物类时，应理解所述组以及所有亚组中的所有单独成员，包括组内成员的任何结构异构体、对映体、以及非对映异构体，都分别被公开。当文中使用了马库什或其他组时，所述组中的所有单个成员以及组中所有可能的结合物和亚结合物都规定为分别包含于公开内容中。

化合物的具体名称是示例性的，众所周知本领域普通技术人员可以对同样的化合物使用不同的命名。

文中公开的或例举的组分的每种制剂或结合物都可以用于实施本发明，除非另有说明。

当在说明书中给出范围时，例如，温度范围、压力范围、时间范围、给定变量的数值范围、或者组成或浓度范围，所有的中间范围或子范围，以及给定范围内的所有单独数值都意欲包括在公开内容中。除非另有说明，文中提到的所有范围都包括所列出的最低值和最高值。应理解，本说明书中所包括的范围或子范围内的任何子范围或单个数值，可以排除在权利范围之外。

本说明书中提到的所有的专利和出版物表明了本发明所属领域的技术人员的技术水平。文中引用的参考文献都以引用的方式全文纳入本说明书，以表明文献公开日或申请日的本领域现有技术状况，并且其意图是这些信息可以在本文应用，(如需要)以排除现有技术中的具体实施方案。例如，当权利要求请求保护物质的组成时，应理解在本发明的现有技术中，所有已知的并且可获得的化合物，包括文中引用参考文献中提供的可实施公开内容的化合物，不意图包括在本文的物质组合物权利要求中。

如本文所使用，“包括”与“包含”、“含有”或“特征为”是同义词，是包含性或开放式的，不排斥另外的、未提到的元素或方法步骤。文中所用的“由......组成”排除权利要求元素中未指明的任何元素、步骤或成分。本文所用的“基本由......组成”并不排除本质上不会影响权利要求的基础和新颖特性的物质或步骤。上位术语“包含”意欲包括范围较窄的术语“基本由......组成”和更窄的术语“由......组成”。这样，在本文有关短语“包括一个或多个权利要求的元素”(例如，“包括A和B”)的任何列举中，此短语意欲包括较窄的范围，例如“基本由A和B组成”以及“由A和B组成”。这样，文中每次使用上位词“包含”意欲为“基本由......组成”和“由......组成”提供具体支持。本文示例性叙述的本发明可以在没有本文具体公开的任何元素(一种或多种)、限制(一种或多种)的情况下进行。

本领域普通技术人员应理解，不同于文中具体示例的起始原料、试剂、合成方法、纯化方法、分析方法、试验方法、基质和固体可以不用借助过度的试验而用于本发明的实践。上述任意物质和方法的所有本领域已知的功能等价物都意欲包括在本发明中。已经使用的术语和表达被用作描述性而非限制性的术语，并且使用这些术语和表达并不意图排除所展示并描述的特征或其部分的任何等价物，但应知晓在本发明权利要求范围内的多种修改是可能的。因此，应当理解，尽管本发明被实施例、优选实施方案和任选的特征具体地公开，本领域技术人员可以对文中所公开的概念作出修改和变化，上述修改和变化被认为是在附带的权利要求所限定的本发明范围内。

本文引用的所有参考文献都以引用的方式全文纳入本说明书。当引用的参考文献中的公开内容与本说明书的内容存在任何矛盾时，以本说明书为准。本文的一些参考文献以引用方式纳入本说明书，用于提供关于起始物质来源、合成方法、纯化方法、分析方法的细节；以及本发明的其他用途。

实施例

为寻求一种更有效的水解方法，研究了离子液体中纤维素和糖类在酸性条件下的基础反应。我们开始在与Li和Zhao[28]类似的条件下将纤维素与H₂SO₄和HCl在[EMIM]Cl中反应。有趣的是，观察到产生了5-羟甲基糠醛(HMF)和中等产率的葡萄糖(表1)。纤维素在105℃下溶解12小时，然后将纤维素在105℃在[EMIM]Cl中反应。在表1中，HCl的装填量相对于纤维素的重量计；产率是基于HPLC分析的摩尔产率，相对于纤维素中所含的葡萄糖单体计；nd指未测出。在第一行(标为a)所用的酸为H₂SO₄。

HMF——一种糖类脱水产物——的醛官能度干扰Zhao与合作者所采用的DNS试验[35]，可能会导致其TRS产率远高于实际的糖产率。随着葡萄糖的减少而产生HMF表明，纤维素正直接转化成HMF或者水解产生的葡萄糖正脱水生成HMF。

表1：纤维素在[EMIM]Cl中的水解

为检验这些可选方案，使葡萄糖在水含量变化的[EMIM]Cl中反应(图3，表2)。在示出的结果中，使葡萄糖在100℃下在[EMIM]Cl中反应，其起始浓度为10重量％，H₂SO₄的装填量相对于葡萄糖计为4重量％，但标为“a”的第一组进料中没有添加H₂SO₄。表2中列出的水含量相对于反应混合物的总质量计；葡萄糖回收率基于HPLC分析，并且归一化为初始葡萄糖浓度；HMF的摩尔产率基于HPLC分析。

表2 酸催化的葡萄糖在[EMIM]Cl中的降解

在酸和水都不存在的情况下，回收的葡萄糖没有变化。但是，在几乎没有或没有添加水的情况下，H₂SO₄导致葡萄糖在离子液体中迅速衰变为HMF和其他产物。将水含量增加到33重量％降低了葡萄糖消失的速率，从而1小时后剩余接近90％的葡萄糖。这些结果表明由纤维素水解产生的葡萄糖在无水条件下在[EMIM]Cl中迅速降解，而较高的水含量会防止葡萄糖损失。

基于这些结果，增加所述[EMIM]Cl水解混合物中的水浓度应当会增加由纤维素制葡萄糖的产率。然而，水会使纤维素从离子液体中沉淀[27]。例如，当5重量％的纤维素的[EMIM]Cl溶液被稀释至含10重量％水时，会形成一种难处理的凝胶，使得纤维素不可能在离子液体水溶液中的均匀的水解。本公开内容证实，可通过在水解过程中逐渐地加水而使纤维素的溶解度与葡萄糖的稳定性达到平衡。相信纤维素的溶解度随着反应进行而增加，因此可以在水解反应已经进行后加入较高的水量而不会使纤维素有害地沉淀。对于下列实验，使用HCl作为水解酸催化剂以将酸的阴离子(Cl^-)与离子液体中的阴离子匹配。含有5重量％纤维素的[EMIM]Cl首先在105℃用HCl和少量水处理，使得纤维素开始水解。相信在该初始反应阶段中，一部分纤维素水解成较短、更易溶的片断(表1)。在选定的时间延迟后，将额外的水加入反应混合物中稳定葡萄糖产物。改变加水的量和添加的时间，以评估对于葡萄糖产率的影响。

表3 提供了另外的随添加的水而变化的产率结果

注意，表3中粗体字的数据是从其他表格中复制的，以便对照。

已发现加水的时机显著地影响葡萄糖产率。例如，当反应混合物在5分钟后稀释至33％的水时，纤维素沉淀，导致低葡萄糖产率。延迟直至10分钟后稀释防止了纤维素沉淀，并且在60分钟内逐渐增加水含量至43％使得水解在进行了2-4小时获得了接近90％的葡萄糖产率。通过控制加水获得的高葡萄糖产率接近之前报导的在离子液体中的最高产率的2倍，并且接近通过酶水解而获得的葡萄糖产率。

并且，已发现改变在水解之前纤维素与离子液体的混合时间会影响产率和副产物的形成。表4说明了这种影响。在表4中，纤维素在105℃下在[EMIM]Cl中反应，其初始浓度为5重量％；HCl的装填量相对于纤维素重量计；产率是基于HPLC分析的摩尔产率，并且相对于纤维素中含有的葡萄糖单体计。

相信增加混合时间通常会增加纤维素的溶解。然而，增加混合时间也可能导致副产物的形成增加[36，37]，这通过反应混合物的变色指示。这样，对于所用的反应条件，发现约6小时的预混合时间提供了最高的产率。改变反应条件，例如，反应温度、纤维素浓度或者酸的浓度将可能影响获得最高产率需要的预混合时间。在所述优化的预混合过程下，浓度更高的纤维素溶液(10重量％)可以高产率地水解。

表4 溶解时间对纤维素水解的影响

在控制地加水之前在反应混合物中观察到微小的纤维素纤维。该观察结果表明在加水之前纤维素不完全地分解，这可以部分地解释低葡萄糖产率。相信纤维素在水解反应最初的大约30-60分钟内大量地转化为葡萄糖与可溶性低聚物的混合物，这些低聚物随后会水解成葡萄糖。监测水解过程中葡萄糖和纤维二糖(一种葡萄糖二聚物的浓度，发现纤维二糖的浓度在1小时的时候达到峰值，然后随着葡萄糖浓度增加而衰变(图4)。

使用用[EMIM]Cl优化的反应条件研究了作为用于水解的溶剂的可选离子液体(表5)。在表5中，纤维素在105℃混合6小时，然后在105℃下在离子液体中反应3小时；HCl的装填量相对于纤维素重量计为20重量％；所述反应中的水含量初始为5重量％，然后如下增加：20％(10分钟)、25％(20分钟)、33％(30分钟)、43％(60分钟)。产率是基于HPLC分析的摩尔产率，并且相对于纤维素中含有的葡萄糖单体计。不能溶解纤维素的离子液体生成的葡萄糖产率较差。[EMIM]NO₃和[EMIM]BF₄不能使纤维素溶胀，在这些溶液中没有检测到葡萄糖产生。[EMIM]相应的溴化物和三氟甲磺酸盐(triflate)确实能使纤维素溶胀，然而仅得到4-5％的葡萄糖产率。但是，离子液体1，3-二甲基咪唑鎓二甲基磷酸盐和[EMIM]OAc是极佳的纤维素溶剂[37]。然而，当控制时间添加水到达20％的时候，二甲基磷酸盐离子液体中的纤维素形成了粘稠的凝胶，分析反应混合物发现没有葡萄糖。尽管剩余的纤维素在反应条件下溶解在[EMIM]OAc中，但在该溶液中没有产生葡萄糖。相信在这两种离子液体中水解被阻止是因为酸水解催化剂(HCl)被二甲基磷酸盐或乙酸盐缓冲，从而形成了pKa值分别为1.29和4.76的共轭酸[38，39]。相信缓冲了的酸太弱而不能在反应条件下进行纤维素水解[33]。与其他离子液体不同，含有氯离子的离子液体例如[BMIM]Cl、1-丁基-4-甲基氯化吡啶鎓、还有1-乙基氯化吡啶鎓都能溶解纤维素并且支持纤维素水解，未优化的葡萄糖产率在66-73％之间。这些结果表明，用于纤维素水解的离子液体介质必须平衡纤维素的溶解度和水解活性二者。相信为氯盐的离子液体通过与纤维素的强相互作用并与其弱碱性联合从而达到了这个目标。

表5 不同离子液体中的纤维素的水解

对于水解，复杂的多相木素纤维素生物质表现出比纤维素更重大的挑战。除了难处理的结晶纤维素，木素纤维素生物质例如玉米秸秆还包括保护性的半纤维素和木素，多相组分对于许多生物质水解过程都是主要的障碍[3，9]。然而，氯化物离子液体对于木素纤维素生物质来说是极佳的溶剂。

将本文所述的控制地添加水的方法和应用于纤维素的反应条件应用于水解木聚糖——一种半纤维素，制得的木糖产率为77％。这样纤维素水解的方法扩展到以两个步骤水解玉米秸秆(表6)。在第一步中，已经与[EMIM]Cl混合的未处理的玉米秸秆在105℃用10重量％的HCl水解，其间使用与纯纤维素相同的控制的水稀释过程。第一步处理制得71％产率的木糖和42％产率的葡萄糖，以秸秆中的木聚糖和纤维素含量计。将第一步的反应混合物稀释至70％水使得未水解的聚糖和木素沉淀。然后将这些剩余物溶解在[EMIM]Cl中并且进行同样的第二步水解，释放另外的木糖和葡萄糖，留下含有木素的固体。将这两个步骤合并，仅使用简单的化学试剂得到79％产率的木糖和70％产率的葡萄糖。本文所述的两步法可被改良用于水解其他的生物质来源，例如木材和草。如果需要，可以使用其他的反应步骤以获得额外的产率提高。表3(上述)提供了玉米秸秆水解的其他变化方案得到的产率结果。

表6 [EMIM]Cl中的玉米秸秆的水解

当玉米秸秆在105℃溶解6小时后，使其在105℃下在[EMIM]Cl中反应。HCl的装填量相对于玉米秸秆重量计。产率是基于HPLC分析的摩尔产率，相对于秸秆中所含的葡萄糖和木糖单体计。

实践中的生物质水解方法需要有效的回收糖和试剂的方法。我们发现离子排斥色谱能够将糖和离子液体与玉米秸秆水解反应混合物分离。在此技术中，将含有电解质和非电解质溶液的混合物流经带电树脂而分离[40]。带电物质，例如离子液体，从树脂中排出，而非电解质，例如糖类，被留下。将玉米秸秆水解产物流经[EMIM]-交换的

50树脂柱，使得以实验室规模将离子液体溶剂与糖分离，离子液体的回收率＞95％，木糖的回收率为88％，葡萄糖的回收率为94％。这些产率不是优化的，可能因示例的分离规模较小而受限，在扩大规模时可能有所改善。明显地，非常有效的离子液体回收是可行的，并且所述离子液体没有以化学方式掺入生物质剩余物中。

能够回收昂贵的离子液体对于所述水解方法的经济可行性来说很重要。为支持生物转化，生物质水解的糖类必须不含会抑制微生物生长和发酵的污染物。我们发现由玉米秸秆通过所述方法衍生的糖类是用于细菌和酵母的极佳原料，特别是生产乙醇的、更通常是生产溶剂的细菌和酵母的极佳原料。

尽管野生型的大肠杆菌(Escherichia coli)将很多糖类发酵成乙醇与有机酸的混合物，改造过的KO11菌株表现出乙醇选择性[41]。作为单独的碳源，源自玉米秸秆的葡萄糖-木糖-阿糖混合物使得大肠杆菌KO11以与对照葡萄糖-木糖混合物相当的速率需氧生长(图5，幅A)。并且，在氧气不足的条件下，大肠杆菌KO11由秸秆水解糖产出了79±4％产率的乙醇，由纯木糖和葡萄糖产出了76±3％产率的乙醇，这表明我们的水解方法制得的糖可以被容易地转化成乙醇。工程改造过的细菌有希望用于生产生物燃料，但是现今酵母发酵占优势[42，43]。树干毕赤酵母具有天然的发酵木糖的能力，是一种可用于生物转化由木素纤维素衍生的糖类的可选酵母[44-46]。玉米秸秆水解的糖类是一种用于这种酵母生长的极佳碳源(图5，幅B)，树干毕赤酵母有效地将水解产物转化成乙醇。通过发酵木糖和葡萄糖，所述酵母由水解产物产出了70±2％产率的乙醇，由纯的糖类产出了72±1％产率的乙醇。

市售的化学品为试剂级别或更佳，使用时可不经另外提纯。在玻璃容器中进行反应，用控温的油浴加热，磁力搅拌。术语“减压浓缩”是指使用Speed Vac浓缩器系统去除水和其他挥发物质。电导率用Extech Instruments ExStik II电导计测定。NMR谱图通过NationalMagnetic Resonance Facility at Madison(NMRFAM)的BrukerDMX-400 Avance分光计(1H，400MHz；13C，100.6MHz)获得。

1-乙基-3-甲基氯化咪唑鎓(99.5％，[EMIM]Cl)购自Solvent-Innovation(Cologne，Germany)。1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐(97％，[EMIM]BF4)、5-羟基甲基糠醛、桦木木聚糖(X0502，98％木糖剩余物，约95％干燥固体)和

50WX4(200-400目，H+形式)购自Aldrich(Milwaukee，WI)。1-乙基-3-甲基咪唑鎓三氟甲磺酸盐(98.5％，[EMIM]OTf)、1-丁基-3-甲基氯化吡啶鎓(97％，[BMPy]Cl)以及1-乙基-3-甲基溴化咪唑鎓(97％，[EMIM]Br)购自Fluka(Geel，比利时)。1-乙基氯化吡啶鎓(98％，[EtPy]Cl)、1-乙基-2，3-二甲基氯化咪唑鎓(98％，[MMEIM]Cl)以及糠醛购自Acros(Buchs，瑞士)。纤维素(中等棉绒，C6288，约95％干燥固体)购自Sigma(St.Louis，MO)。碾磨和过筛的玉米秸秆(约95％干燥固体)来自B.E.Dale与合作者(密歇根州立大学)[参见：Chundawat，S.P.S.，Venkatesh，B.，& Dale，B.E.，Effect of particlesize based separation of milled corn stover on AFEX pretreatmentand enzymatic digestibility.Biotechnol.Bioeng.96(2)，219-231(2006)]，在使用之前通过40目筛。

分析方法。所有的反应产物用HPLC分析，以市售标准制得的校准曲线量化。在常规的反应之后，产物混合物用已知量的去离子水稀释，经受离心或过滤除去不溶产物，然后分析。产物的浓度从HPLC-峰求积分计算，用于计算摩尔产率。HPLC测试用Agilent 1200系统进行，该系统配置有折射率和光电二极管阵列检测器，以及Bio-RadAminex HPX-87H柱(300×7.8mm；5mM H₂SO₄，0.6ml/min，65℃)。

示例性的纤维素水解过程。纤维素(18.7mg，104μmol葡萄糖单元)和[EMIM]Cl(380mg)在105℃混合6小时以形成粘性溶液。在此溶液中加入HCl水溶液(1.66M，23.2μl；相当于3.8mg浓HCl)，然后将反应混合物在105℃剧烈搅拌。在此期间，所述溶液的粘度显著地降低。10分钟后，搅拌下加入去离子水(80μl)，之后在20分钟(40μl)、30分钟(60μl)和60分钟(100μl)加入另外的等分部分的水。在3小时的总的反应时间后，将溶液用水(701μl)稀释。离心去除不溶物质，然后将溶液用HPLC分析(12.4mg/g葡萄糖，88％产率；0.34mg/g HMF，3％产率)。在其他的情况下，周期性地取出反应混合物的等分部分用于HPLC分析。

使用熔点＞105℃的离子液体(例如，1-丁基-4-甲基氯化吡啶鎓、1-乙基氯化吡啶鎓、1-乙基-2，3-二甲基氯化咪唑鎓)的反应需要稍微不同的操作。在这些情况下离子液体和纤维素一起使用空气加热枪加热，直到纤维素溶解。之后，在105℃将混合物加热6小时，之后进行水解反应。尽管1-乙基氯化吡啶鎓溶液在此温度保持液态，但其他的纤维素溶液固化。在加入HCl之前，将这些固体用空气加热枪熔化，它们在加入HCl水溶液之后保持液态。

葡萄糖在[EMIM]Cl中的代表性反应。葡萄糖(47.2mg，262μmol)溶解在[EMIM]Cl(460mg)和去离子水(50μl)中。加入浓H₂SO₄(5.5μl)，然后将得到的溶液在100℃搅拌。周期性地取出反应混合物的等分部分用于HPLC分析。

示例性的木聚糖的水解。木聚糖(9.4mg，66μmol木糖单元)和[EMIM]Cl(188mg)在105℃混合数小时，形成粘性溶液。在此溶液中加入HCl水溶液(1.66M，11μl)，然后将反应混合物在105℃剧烈搅拌。10分钟后，搅拌下加入去离子水(40μl)，之后在20分钟(20μl)、30分钟(30μl)、60分钟(50μl)以及90分钟(50μl)另外加入等分部分的水。在3小时的总的反应时间后，将溶液用水(100μl)稀释。离心去除不溶物质，然后将溶液用HPLC分析(15.3mg/g木糖，77％产率)。

代表性的玉米秸秆水解过程。玉米秸秆(26.7mg，54μmol葡萄糖单元，44μmol木糖单元)和[EMIM]Cl(502mg)在105℃混合6小时。在此溶液中加入HCl水溶液(1.66M，29μl；相当于5mg浓HCl)，然后将反应混合物在105℃剧烈搅拌。10分钟后，搅拌下加入去离子水(100μl)，之后在20分钟(50μl)、30分钟(75μl)、以及60分钟(125μl)另外加入等分部分的水。在2.5小时的总的反应时间后，将溶液用水(750μl)稀释。离心去除不溶物质，用水(200μl)冲洗两次，然后烘干。将液体产物(2.046g)用HPLC分析(2.0mg/g葡萄糖，42％产率；2.3mg/g木糖，71％产率)。

然后将第一步水解中的棕色固体在[EMIM]Cl(306mg)中在105℃加热4.5小时。在此混合物中加入HCl水溶液(1.66M，14.5μl，相当于2.5mg浓HCl)，然后将反应混合物在105℃剧烈搅拌。10分钟后，搅拌下加入去离子水(50μl)，之后在20分钟再加入25μl水，在30分钟再加入67.5μl水，在60分钟再加入70μl水。在3小时的总的反应时间后，将溶液用水(300μl)稀释，然后离心去除沉淀的不溶物质。将液体产物(770mg)用HPLC分析(3.56mg/g葡萄糖，28％产率；0.7mg/g木糖，8％产率)。对于所述两步法，葡萄糖的总产率为70％，木糖的总产率为79％。

在其他情况下，周期性地取出反应混合物的等分部分用于HPLC分析。

从水解产物中回收糖类和[EMIM]Cl的代表性过程。将

50WX4(75g，0.128当量)与去离子水的浆液置于维持在65℃的夹套柱中(120cm×1cm，Knots #420870-1200)，得到0.10m的树脂床。通过使[EMIM]Cl(64g，0.44mol)的水溶液流过柱而使树脂用[EMIM]+进行交换。在交换过程结束时，柱中的流出物是中性的，表示H+全部交换为[EMIM]+。之后使脱气的去离子水流经柱子以洗脱任何溶解物。

水解产物液体(2.741g，8.5mg葡萄糖，17.7mg木糖，约60％水)由玉米秸秆(102.3mg)在标准条件下使用[EMIM]Cl(1046mg)水解反应制得。反应的固体剩余物留下进行第二次水解反应。将一部分第一水解液体(2.591g)上样于树脂柱顶端，然后用脱气的去离子水以3cm/min的速率洗脱。收集级分然后用HPLC分析(7.5mg葡萄糖，94％；14.3mg木糖，86％)。减压浓缩所述含有[EMIM]Cl的级分，与D₂O混合，然后汇集(pool)，得到D₂O/[EMIM]Cl溶液(3.673g)。该溶液的等分部分(342.8mg)与N，N-二甲基乙酰胺(71.5mg，0.821mol)合并，得到的溶液用1H NMR光谱法分析。整合谱图，显示[EMIM]Cl∶DMA的摩尔比为0.708∶1，指示有913mg(92％)的[EMIM]Cl回收量。

使用由固体剩余物的反应获得水解产物液体(1.684g)用[EMIM]Cl(471mg)重复上述方法。将一部分所述液体(1.534g)通过柱色谱，然后将含有离子液体的级分减压浓缩，与D₂O混合，然后汇集，得到D₂O/[EMIM]Cl溶液(3.261g)。将该溶液的等分部分(528.4mg)与N，N-二甲基乙酰胺(79.6mg，0.914mmol)合并，得到的溶液用1H NMR光谱法分析。将图谱积分，显示[EMIM]Cl∶DMA的摩尔比为0.532∶1，表明有440mg(103％)的[EMIM]Cl回收量。由两步法得到的合并的[EMIM]Cl回收量为96％。

将分离过程制得的不含[EMIM]Cl的含糖级分汇集且冻干为棕色残渣。将所述残渣溶解在去离子水里(5mL)，然后用于微生物生长和发酵的研究，参见图5。

细菌生长研究。大肠杆菌KO11由W.D.Marner及合作者馈赠。在所有的情况下大肠杆菌在37℃的含有氯霉素(40mg/l)的培养基中生长。将一个单菌落接种到含有木糖(0.4重量％)的Luria-Bertani培养基上[54](4ml)。在以250rpm搅拌下在培养管中孵育18小时后，离心收集细胞然后重新悬浮于不含任何碳源的M9基本培养基[54](2ml)中。在聚苯乙烯96孔板中，20个孔填装含有木糖(2.62g/l)和葡萄糖(1.38g/l)的M9基本培养基(150μl)。10个孔填装补充有玉米秸秆水解糖(2.62g/l木糖、1.38g/l葡萄糖和0.91g/l阿糖)的M9基本培养基(150μl)。剩余的孔填装去离子水(200μl)。每个孔都接种上述细胞悬浮液(5μl)，然后将所述板用低蒸发盖子盖上，然后在BioTek ELx808 Absorbance Microplate Reader中于快速搅拌下孵育。每5分钟测量每个孔的OD595nm，测量25小时。将OD595nm数值代入修正的Gompertz函数中计算每个孔的倍增时间[55]。

细菌发酵研究。为维持低氧环境，在装有橡皮塞的玻璃试管(13×100mm)中用大肠杆菌进行发酵，所述橡皮塞被钢套管穿通。套管的另一端浸没在第二个玻璃试管里的水中。第二个玻璃试管装有被针刺穿的橡皮塞以释放气体。

将一个单菌落接种到含有木糖(0.26重量％)和葡萄糖(0.14重量％)的LB培养基(4ml)中。以250rpm搅拌在培养管中孵育11小时，然后离心收集细胞并重新悬浮于新鲜的LB培养基(4ml)中。将等分部分(10μl)的该细胞悬浮液加入到配置为用于厌氧生长的试管中，所述试管中含有LB培养基(1.5ml)，其中补充有木糖(2.62g/l)和葡萄糖(1.38g/l)，或者玉米秸秆水解糖(2.62g/l木糖、1.38g/l葡萄糖和0.91g/l阿糖)。每种培养基一式三份试验。在用N₂(g)清洗后，在250rpm搅拌下进行发酵。12小时后，将培养物用HPLC分析糖类和乙醇。在所有的培养物中糖都被完全消耗。将乙醇滴定度与0.51g乙醇/g糖的理论产率比较(对于纯糖为2.04g/l，或者对于玉米淀粉水解物为2.25g/l)。

酵母生长研究。树干毕赤酵母CBS 6054由T.W.Jeffries及合作者馈赠。所有的Pichia培养物在30℃生长。将一个单菌落用于接种到含有木糖(1.2重量％)和葡萄糖(0.8重量％)的YP培养基(6ml；10g/l酵母提取物和20g/l蛋白胨)上。在以250rpm搅拌下在培养管中孵育11小时，然后离心收集培养物的1-ml等分部分中的细胞。将这些细胞重新悬浮在含有无氨基酸的酵母氮碱(6.7g/l；Difco)的合成基本培养基(0.5ml)中。

在聚苯乙烯96孔板中，10个孔装填含有木糖(1.82g/l)、葡萄糖(2.18g/l)和阿糖(0.33g/l)的合成基本培养基(150μl)。5个孔装填补充有玉米秸秆水解糖(1.82g/l木糖、2.18g/l葡萄糖和0.33g/l阿糖)的合成基本培养基(150μl)。剩余的孔装填去离子水(150μl)。每个孔都接种上述细胞悬浮液(10μl)，然后将所述板用低蒸发盖子盖上，然后在BioTek ELx808 Absorbance Microplate Reader中于快速搅拌下孵育。每5分钟测量每个孔的OD595nm，测量19小时。

酵母生长研究。为进行发酵实验，树干毕赤酵母在30℃在含有合适碳源的YP培养基(10g/l酵母提取物和20g/l蛋白胨胨)中生长。将一个单菌落接种到含有1.2重量％木糖和0.8重量％葡萄糖的培养基(6ml)中。以225rpm搅拌速率在培养管中孵育11小时，然后将所述酵母悬浮液加入到含有YP培养基(1.5ml)的玻璃试管中，所述YP培养基中补充有木糖(3.24g/l)、葡萄糖(3.88g/l)和阿糖(0.58g/l)，或者玉米秸秆水解糖(3.24g/l木糖、3.88g/l葡萄糖和0.58g/l阿糖)。所述糖培养基一式三份试验，水解物培养基一式两份试验。所述试管配有用针穿孔的橡皮塞，以150rpm搅拌。52小时后，将培养物用HPLC分析糖类和乙醇。在所有的培养物中糖都被完全消耗。将乙醇滴定度与0.51g乙醇/g葡萄糖的理论产率比较(对于纯糖为3.63g/l或者对于玉米秸秆水解物为3.63g/l)。

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Claims

1.一种水解生物质聚糖基质的方法，其包括下列步骤：

[a]将所述生物质聚糖基质与离子液体接触，直到所述聚糖至少部分地溶解在所述离子液体中，其中所述离子液体的阴离子是氯离子、三氟乙酸根、三氯乙酸根、三溴乙酸根或硫氰酸根；

[b]将步骤[a]的混合物加热至反应温度，然后加入足够引发所述聚糖水解的量的酸催化剂；并且

[c]在水解反应引发后将水加到反应混合物中，从而使总的水含量为至少20重量％，其中添加水的速率为使得聚糖不会沉淀而且基本不会抑制水解。

2.权利要求1的方法，其中所述水解持续进行到单糖产率为50％或更高。

3.权利要求1的方法，其中添加的酸催化剂的量以所述反应中生物质聚糖基质的量计为约5重量％至40重量％。

4.权利要求1的方法，其中添加的酸催化剂的量以所述反应中的聚糖或木素纤维素的量计为约10重量％至25重量％。

5.权利要求1的方法，其中反应温度为约70至140℃。

6.权利要求1-5任一项的方法，其中所述离子液体是阳离子为咪唑鎓或吡啶鎓的离子液体。

7.权利要求1-5任一项的方法，其中所述离子液体是离子氯化咪唑鎓或氯化吡啶鎓。

8.权利要求1-5任一项的方法，其中所述离子液体是[EMIM]Cl、[BMIM]Cl、1-乙基-2，3-二甲基氯化咪唑鎓或1-烷基氯化吡啶鎓。

9.权利要求1-5任一项的方法，其中所述离子液体是含有氯离子的离子液体。

10.权利要求1-5任一项的方法，其中所述离子液体是含有三氟乙酸根的离子液体。

11.权利要求1-5任一项的方法，其中所述生物质聚糖是纤维素、木聚糖、阿聚糖或甘露聚糖。

12.权利要求1-5任一项的方法，其中所述生物质聚糖基质是木素纤维素，并且添加的酸的量相对于木素纤维素的量测定。

13.权利要求1-5任一项的方法，其中所述生物质聚糖是木素纤维素，并且所述木素纤维素是玉米秸秆。

14.权利要求1-5任一项的方法，其中添加的水的总量至少为反应混合物的35重量％，但是不高于反应混合物的50重量％。

15.权利要求1-5任一项的方法，其中添加的水的总量为40至45重量％。

16.权利要求1-5任一项的方法，其中水解进行1-5小时。

17.权利要求1的方法，其中水解以两步或更多步进行，其中将在前步骤之后剩余的生物质聚糖基质与水解产物和离子液体分离，然后返回用于在后步骤的进一步水解，并且其中使在前步骤的水解产物与离子液体分离，然后分离出的离子液体返回再利用于在后步骤。

18.权利要求17的方法，其为两步方法。

19.权利要求17的方法，其中使用与所述离子液体的阳离子交换过的强阳离子交换树脂将水解产物与离子液体分离。

20.权利要求1-5或17-19任一项的方法，在步骤[a]之前还包括用稀酸预处理的步骤。

21.权利要求1-5或17-19任一项的方法，在步骤[a]之前还包括用稀酸预处理的步骤，其中所述稀酸预处理步骤在140至225℃的温度下进行少于10分钟。

22.权利要求1-5或17-19任一项的方法，在步骤[a]之前还包括用稀酸预处理的步骤，其中所述稀酸预处理步骤在190至210℃的温度下在高于环境压力下进行5分钟或更短。

23.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中在反应引发后将选定量的水在选定的时间以分步加入的方式加入。

24.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中水在选定的一段时间内连续地加入，以获得所需的总水量。

25.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中加入水以在水解引发后3-10分钟达到20重量％的总水量，以总反应混合物计。

26.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中加入水以在水解引发后10分钟内达到20重量％的总水量，以总反应混合物计。

27.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中加入水以在水解引发后60分钟内达到40-45重量％的总水量，以总反应混合物计。

28.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中加入水以在水解引发后10-30分钟内达到20-35重量％的总水量，以总反应混合物计。

29.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中加入水以在水解引发后30-60分钟内达到35-45重量％的总水量，以总反应混合物计。

30.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中加水的方式如下：

首先在水解引发后至少10分钟内达到20重量％的总水量，以总反应混合物计，并且

其后在水解引发后至少30分钟内达到25重量％的总水量，以总反应混合物计。

29.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中加水的方式如下：

其后在水解引发后至少60分钟内达到40-45重量％的总水量，以总反应混合物计。

30.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中加水的方式如下：

首先在水解引发后至少10分钟内达到20重量％的总水量，以总反应混合物计，

其后在水解引发后至少30分钟内达到25重量％的总水量，以总反应混合物计，并且

31.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中酸催化剂是pKa为1或更小的酸。

32.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中水解产物中的HMF的产率为10％或更少。

33.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中在水解引发前所述生物质聚糖基质与所述离子液体接触最长达9小时。

34.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中在水解引发前所述生物质聚糖基质与所述离子液体接触最长达9小时，且生物质聚糖基质与离子液体的混合物处于环境温度至140℃的温度下。

35.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中生物质聚糖在初始反应混合物中的浓度为1-25重量％。

36.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中木素纤维素在初始反应混合物中的浓度为1-25重量％。

37.权利要求1-5或17-19任一项的方法，其中在所述离子液体中加入助溶剂，所述助溶剂的量为所述反应混合物的1至25重量％。

38.一种制备单糖原料的方法，其包括如权利要求1-5或17-19任一项所述制备水解产物的步骤，和使水解产物与离子液体分离的步骤。

39.一种制备单糖原料的方法，其包括如权利要求1-5或17-19任一项所述制备水解产物的步骤，和使水解产物与离子液体分离的步骤，还包括在步骤[a]之前用稀酸预处理的步骤。

40.一种通过发酵制备乙醇的方法，其包括使用权利要求1-5或17-19任一项的方法的水解产物作为单糖原料用于通过生产乙醇的微生物发酵。

41.一种通过发酵制备乙醇的方法，其包括使用权利要求1-5或17-19任一项的方法的水解产物作为单糖原料用于通过生产乙醇的微生物发酵，其中所述水解方法还包括在步骤[a]之前用稀酸预处理的步骤。