CN103370469A

CN103370469A - 处理方法

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Publication number: CN103370469A
Application number: CN2011800676860A
Authority: CN
Inventors: A·勃兰特; R·J·墨菲; D·J·利克; T·维尔通; J·哈利特
Original assignee: Imperial Innovations Ltd
Current assignee: IP2 IPO Innovation Co., Ltd.
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: EP2652193B1; ES2828748T3; WO2012080702A3; WO2012080702A2; CN103370469B; CA2821403C; US20140073016A1; EP2652193A2; CA2821403A1; PL2652193T3; BR112013015190B1; US9765478B2; BR112013015190A2

Abstract

本发明涉及一种处理木质纤维素生物质以使其中的木质素溶解而不使纤维素溶解的方法。所获得的纤维素浆料可用于制造葡萄糖。另外，木质素可以被分离，以便以后在可再生化学工业中用作芳香族平台化学品的来源。

Description

处理方法

本发明涉及一种处理木质纤维素生物质以使其中的木质素溶解而不使纤维素溶解的方法。所获得的纤维素浆料可用于生产葡萄糖。另外，木质素可以被分离，以便以后在可再生化学工业中用作芳香族平台化学品的来源。

生物燃料可以通过使糖类发酵产生生物乙醇来生成。目前，生物燃料通常源自食物资源。这导致若干问题，因为会与食物供应竞争原料；单位面积土地的产率低，并且使庄稼生长需要高能量输入。可以通过水解淀粉来产生所需的糖，或者可以利用如甘蔗或甜菜等植物所产生的蔗糖。如果能够利用来自农业废料、林业废料和能源作物的植物的木质部分，则可以缓解这些问题。

植物的木质部分或结构部分已进化至可抵御降解。它们主要由纤维素、半纤维素和木质素构成。需要对该材料进行预处理以打破结构。通常，预处理涉及以下步骤中的一个或多个：除去半纤维素；使木质素改性和增溶；水解半纤维素-木质素连接；和降低纤维素纤维的结晶性。这使纤维素更易受酶的影响，还除去了发酵阶段的潜在抑制剂。

过去已描述了若干种预处理方案。其中包括蒸汽爆破、利用稀酸或碱催化、氨纤维膨胀、有机溶剂制浆和生物预处理。所有这些方法具有各自的缺点。还描述了使用离子液体的预处理。离子液体(IL)是在所关注的温度下为液体的盐。可以选择阴离子和阳离子的组合以满足所需要的特定应用。

WO10/0056790描述了使用基本无水的离子液体来溶解生物质，之后可以利用各种溶剂将其分离。WO08/090155和WO08/090156均描述了使用离子液体来溶解全部生物质组分，例如木质素、半纤维素和纤维素。在这些方法中，通常通过添加适当的溶剂以使纤维素可以沉淀和分离，从而将纤维素与其他组分分离。两份将含有[MeSO₄]^-的离子液体用于生物质处理的报告的结论是，离子液体不能提高枫木或玉米芯的可消化性。

WO2008/112291描述了使用离子液体来预处理含有木质素的生物质以提高后续糖化反应中的产率。离子液体用来使生物质结构溶胀，而不实现木质纤维素的任何溶解。木质素可以作为糖化后的固体而得到回收。

US2010-0081798描述了使用含有多原子阴离子的离子液体来使木质纤维素增溶。纤维素溶解在所述离子液体中。

WO2005/017252描述了使用具有芳香族阴离子的离子液体来溶解生物质中的木质素，从而使所获得的纤维素纤维得到进一步加工。

现有技术的方法中有很多都要求离子液体基本无水，以使生物质溶解。因此，离子液体和生物质必须在使用之前先被干燥，这增加了加工成本。已报导了离子液体中至多存在15重量%的水的容忍度，而更高的水平产生了不想要的结果，例如溶解的纤维素的沉淀和降低的糖化产率。

预处理过程可以通过减少获得所期望的纤维素产物所要求的加工程序而得到改进。另外，可使木质素得到分离和使用的方法也是所期望的。

木质素通过目前的技术(例如，纸浆制造)来制造，并被燃烧以作为用于该技术的热源和电源(在纸浆制造中，甚至可产生出多余的电，供至电网)。但是，如果可以以更纯的形式获得木质素，则木质素可以用作生物精炼厂用芳香族平台化学品(含有苯环)的来源(基于可再生资源的化学品价值链)。其也可以在较少的改性后用作聚合物添加剂(例如，紫外线稳定剂)或木材胶黏剂。

本发明人已经发现了下述方法，其中离子液体溶解木质素而不溶解纤维素，从而使得所产生的纤维素浆料能够在进行糖化之前得到机械分离。通过简单地添加反溶剂(例如水)，也可以使木质素从离子液体中沉淀出来。这意味着离子液体可以再循环。

本发明涉及一种处理木质纤维素生物质以使其中的木质素溶解而不使纤维素溶解的方法，所述方法包括：

(a)使木质纤维素生物质与包含离子液体的组合物接触，以产生纤维素浆料，其中离子液体包含阳离子和选自C_1-20烷基硫酸根[烷基SO₄]^-、C_1-20烷基磺酸根[烷基SO₃]^-、硫酸氢根[HSO₄]^-、亚硫酸氢根[HSO₃]^-、磷酸二氢根[H₂PO₄]^-、磷酸氢根[HPO₄]^2-和乙酸根的阴离子，前提是若阴离子为乙酸根，则所述组合物还包含10%～40%v/v的水。

优选的是，将离子液体与生物质在100℃～160℃、优选在120℃～140℃下一起加热。使反应进行1小时～22小时，优选1小时～13小时，更优选1小时～8小时。优选搅拌该混合物。

此处所使用的术语“木质纤维素生物质”是指可用于一种或多种已公开的方法中的活的或死的生物材料。其可以包含任何纤维素或木质纤维素材料，并包括包含纤维素并可选地还包含半纤维素、木质素、淀粉、寡糖和/或单糖、生物聚合物、生物聚合物的天然衍生物、其混合物和分解产物的材料。其还可以包含其他组分，如蛋白和/或脂质。该生物质可以来自单一来源，或者可以包含来自多种来源的混合物。生物质的一些具体实例包括但不限于生物能源作物、农业废料、城市固体垃圾、工业固体垃圾、纸张制造中的淤渣、庭院垃圾、木材和林业废料。生物质的其他实例包括但不限于玉米粒、玉米芯、作物废料(如玉米皮、玉米秸秆)、草类(包括巨芒(Miscanthus Xgiganteus))、小麦、小麦秸秆、干草、稻秸、柳枝稷、废纸、甘蔗渣、高粱、大豆、碾磨谷物获得的组分、树木(如松树)、枝、根、叶、木屑、木浆、锯末、灌木和矮树丛、蔬菜、水果、花、动物粪便、多组分饲料和甲壳类生物质(即，壳质生物质)。可以优选的是在用于本发明的方法之前先处理生物质。例如，可以机械处理(例如，碾磨或撕碎)生物质。

在优选实施方式中，在机械处理之前，使生物质与离子液体组合物接触。已经发现，处理作为木片提供的生物质能够减少研磨生物质所需的能量。在研磨阶段，离子液体组合物似乎充当了润滑剂。作为木片提供的木质纤维生物质可以在略高的温度(70℃～100℃，优选90℃)下被离子液体组合物快速浸透，以在执行机械尺寸减小步骤前控制其润滑性。离子液体组合物可以与生物质接触从数分钟至18小时以上的任意长度的时间，优选接触5分钟～1小时。然后可以如本文所述使用离子液体组合物进行进一步处理，以使生物质的木质素成分进一步溶解。

此处所使用的“离子液体”是指电离的物种(即，阳离子和阴离子)。通常，它们的熔点低于约100℃。阴离子选自C_1-20烷基硫酸根[烷基SO₄]^-、C_1-20烷基磺酸根[烷基SO₃]^-、硫酸氢根[HSO₄]^-、亚硫酸氢根[HSO₃]^-、磷酸二氢根[H₂PO₄]^-、磷酸氢根[HPO₄]^2-和乙酸根[MeCO₂]，前提是若阴离子为乙酸根，则所述组合物包含10%～40%v/v的水。优选的是，阴离子选自甲基硫酸根[MeSO₄]^-、硫酸氢根[HSO₄]^-、甲磺酸根[MeSO₃]^-和乙酸根[MeCO₂]。

木质纤维素生物质中的木质素在处理温度下可溶于离子液体，但纤维素不溶解，这使得可以制造包含纤维素的浆料。其他组分(例如半纤维素)优选也可以溶于离子液体。

阳离子优选为质子阳离子，即，它们能够给予H⁺(质子)。

阳离子可以是铵或鏻衍生物。这些阳离子具有以下通式：

其中

X为N或P；并且

A¹～A⁴各自独立地选自H、脂肪族基团、C_3-6碳环、C_6-10芳基、烷基芳基和杂芳基。

此处所使用的术语“脂肪族基团”是指完全饱和或含有一个以上不饱和单元的直链或支化的烃。因此，脂肪族基团可以是具有1～12个碳原子、优选具有至多6个碳原子或者更优选具有至多4个碳原子的烷基、烯基或炔基。脂肪族基团可以具有1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12个碳原子。

此处所使用的术语“烷基”通常是含有1～20个碳原子(例如11、12、13、14、15、16、17、18或19个碳原子)的直链或支化的烷基基团或部分。优选的是，所述烷基基团或部分含有1～10个碳原子，即2、3、4、5、6、7、8、9或10个碳原子，例如C_1-4烷基或C_1-6烷基基团或部分，例如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基和叔丁基、正戊基、甲基丁基、二甲基丙基、正己基、2-甲基戊基、3-甲基戊基、2,3-二甲基丁基和2,2-二甲基丁基。

此处所使用的术语“碳环”是指具有3～6个环碳原子(即3、4、5或6个碳原子)的饱和的或部分不饱和的环基。碳环优选为“环烷基”，此处所用的“环烷基”指完全饱和的烃环基团。优选的是，环烷基为C₃-C₆环烷基。

此处所使用的术语“C_6-10芳基”是指由6、7、8、9或10个碳原子构成的芳基，并且包括稠环基团，例如单环环基或双环环基等。具体而言，“C_6-10芳基”的实例包括苯基、茚基、萘基或薁基等。应该注意，芳基还包括例如茚满和四氢萘等稠环。

此处所使用的术语“烷基芳基”是指取代有上文定义的芳基的如下定义的烷基。“烷基芳基”基团的烷基组分可以取代有以上针对脂肪族基团列出的取代基中的任何一种或多种，并且“烷基芳基”或“烷基杂芳基”的芳基或杂芳基组分可以取代有以上针对芳基和碳环基团列出的取代基中的任何一种或多种。优选的是，烷基芳基为苯甲基。

此处所使用的术语“杂芳基”是指具有5～10个环原子(即5、6、7、8、9或10个环原子)并且至少一个环原子是选自O、N或S中的杂原子的单环或双环芳香环体系。

此处所述的芳基、杂芳基或碳环基团可以不具有取代基，或者可以取代有独立地选自由卤素、低级烷基、-NH₂、-NO₂、-OH、-COOH或-CN组成的组的一个或多个取代基。

此处所使用的术语“卤原子”或“卤素”是指氟原子、氯原子、溴原子、碘原子等，优选氟原子或氯原子，且更优选氟原子。

阳离子还可以含有含氮的杂环部分，此处所使用的“含氮的杂环部分”是指包括氮原子和可选地选自N、S和O中的一种或多种的其他杂原子的单或双环体系。该环体系对于单环基团而言含有5～9个环原子、优选5或6个环原子，对于双环体系而言含有9或10个环原子。这些环可以是芳香族的、部分饱和的或饱和的，因此包括“杂脂族环”(其指非芳香族杂环)基团和“杂芳基”基团(其指芳香族杂环)。阳离子优选选自

其中，R¹和R²独立地选自C_1-6烷基或C_1-6烷氧基烷基，并且R³,R⁴,R⁵,R⁶,R⁷,R⁸和R⁹在存在时独立地为H、C_1-6烷基、C_1-6烷氧基烷基或C_2-6烷氧基。优选的是，R¹和R²为C_1-4烷基，其中一个为甲基；并且R³～R⁹(R³、R⁴、R⁵、R⁶、R⁷、R⁸和R⁹)在存在时为H。优选的是，阳离子环为咪唑鎓或吡啶鎓。

“C_2-6烷氧基”是指与氧键合的以上C_1-6烷基，所述氧还与阳离子环键合。“C_2-6烷氧基烷基”是指含有醚基的烷基，通式为X-O-Y，其中X和Y各自独立地为C_1-5烷基，并且碳原子的总数为2～6，例如2、3、4、5或6。

此处所使用的术语“烯基”是指含有2～20个碳原子(例如11、12、13、14、15、16、17、18或19个碳原子)的直链或支化的烯基基团或部分。优选的是，所述烯基基团或部分含有2～10个碳原子，即3,4,5,6,7,8,9或10个碳原子，例如C_2-4烯基或C_2-6烯基基团或部分，例如乙烯基、2-丙烯基、1-丙烯基。

优选的是，阳离子选自1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im]⁺、1-乙基-3-甲基咪唑鎓[C₂C₁im]⁺、1-甲基咪唑鎓[C₁Him]⁺和1-丁基咪唑鎓[C₄Him]⁺。

用于本发明的优选离子液体是甲基硫酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im][MeSO₄]、硫酸氢1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im][HSO₄]、甲基磺酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im][MeSO₃]、硫酸氢1-丁基咪唑鎓[C₄Him][HSO₄]和乙酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓[C₂C₁im][MeCO₂]。

离子液体可以通过本领域技术人员已知的方法制备或者商购获得。

已经令人惊讶地发现，如果预处理组合物包含水，则糖化步骤中的产率可以得到提高。因此，在一个优选实施方式中，所述组合物包含离子液体和10%～40%v/v的水。优选的是，所述组合物包含20%～30%v/v的水。

还已发现，过量的酸的存在提高了葡萄糖和半纤维素的产率。因此，在一个优选实施方式中，所述组合物还包含0.01%～20%v/v的酸，优选1%～5%v/v的酸。当其他变量(例如水含量和温度等)保持不变时，添加少量酸会显著地加快预处理过程的速度。酸可以选自任何已知的强酸，如盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、氢碘酸、高氯酸和氢溴酸。优选的是，酸为硫酸或磷酸。

本发明的离子液体溶解生物质中的木质素，但与之前描述的离子液体不同，其不溶解纤维素。大部分纤维素(优选至少90%，更优选为95%)仍保持为固体。纤维素可以容易地以机械手段从液相中除去，例如通过过滤。然后可以洗涤分离出浆料，并将其用于糖化过程中。这不再需要在处理生物质后用来获得纤维素的单独沉淀步骤。因此，在一个优选实施方式中，本发明的方法还包括从所产生的浆料中分离出离子液体的步骤。

在优选实施方式中，用可与离子液体混溶的有机溶剂来洗涤浆料。用可与离子液体混溶的有机溶剂来洗涤浆料，可以提高分离效率和离子液体回收率。在木质素沉淀之前，或者可能在其之后，除去有机溶剂。适当的有机溶剂的实例包括脂肪醇，例如甲醇和乙醇。

可以使溶解在离子液体组合物中的木质素沉淀出。因此，在另一优选实施方式中，上述方法还包括

(c)将反溶剂添加到已从浆料中分离出的离子液体中，以使溶解的木质素沉淀；和

(d)从反溶剂/离子液体中分离出沉淀出的固体。

此处所使用的“反溶剂”是使木质素从含有步骤(a)中所产生的增溶的木质素的离子液体中沉淀出的液体。反溶剂优选是水。离子液体可以通过除去反溶剂(例如通过蒸发来除去)而得到回收。所获得的离子液体可以随后再循环以再次用于本方法中。因此，在另一实施方式中，本方法还包括：(e)从(d)中获得的离子液体中除去反溶剂。由于一些水的存在会提高产率，因此需要较少的能量来干燥离子液体。

由本发明的方法获得的纤维素浆料可以用来进行糖化以获得葡萄糖。然后可以用于发酵过程以获得生物燃料。由此，在第二方面中，本发明提供一种从木质纤维素生物质制备葡萄糖的方法，所述方法包括对可用本发明的适当方法获得的纤维素浆料进行酶促水解。在另一方面中，本发明提供通过此水解获得的葡萄糖。

用于该方法中的适当的酶包括市售的纤维素酶制剂，例如里氏木霉(T.reseei)纤维素酶和也含有半纤维素裂解活性的Novozyme188纤维素酶。其他可用的酶包括酯酶，或者为乙酰酯酶，或者为阿魏酰酯酶，它们可切下酯化为半纤维素的取代基。该方法优选在适于酶的pH下于水性介质中进行。可以根据所需的酶混合物在所采用的pH、温度和介质方面优化这些条件。这些方法对于技术人员而言是公知的。该方法优选根据“Enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass”(NREL/TP-510-42629)(发布日期：3/21/2008)来进行。

在另一方面中，本发明涉及通过此处所述的适当方法获得的木质素。

下面将参照以下附图以以下非限制性实例的方式描述本发明：

图1显示的是在80℃下芒草片对离子液体的吸收。

图2显示的是光透射显微镜下的溶解在湿[C₄C₁m][MeSO₄]中的芒草木的图像。左图：具有纤维细胞的外部；右图：薄壁组织细胞。放大率为10x。

图3显示的是使用[C₄C₁im][MeSO₄]预处理之后的经研磨的芒草。左图：在120℃下使用纯离子液体预处理了6小时。右图：洗涤后在120℃下使用80%/20%v/v离子液体/水预处理了22小时。

图4显示的是用于使用[C₄C₁im][MeSO₄]/水混合物预处理经研磨的芒草的实验设定。

图5显示的是在使用[C₄C₁im][MeSO₄]水混合物在120℃下预处理经研磨的芒草22小时之后的糖化产率。糖化进行了48小时。产率基于预处理前烘箱干燥的样品的重量。

图6显示的是用于本研究的未经处理的芒草粉的组成。

图7显示的是用[C₄C₁im][HSO₄]和[C₄C₁im][MeSO₄]水混合物进行预处理后的经研磨的芒草的糖化产率。条件为120℃，预处理时间分别为13小时和22小时。产率基于预处理前烘箱干燥的样品的重量。

图8显示的是使用不同的[C₄C₁im][HSO₄]水混合物在120℃预处理13小时后回收的芒草的百分比，以及糖化后葡萄糖的产率和总糖回收率。

图9显示的是使用[C₄C₁im][HSO₄]水混合物在120℃预处理13小时后的木质素回收率。产率基于预处理前烘箱干燥的样品的重量。

图10显示的是在120℃下预处理的80%v/v离子液体水混合物的质量减少的时间进程。离子液体是[C₄C₁im][MeSO₄]和[C₄C₁im][HSO₄]。

图11显示的是对经研磨的芒草的糖化和木质素产率的时间进程研究。使用[C₄C₁im][MeSO₄]_80%和[C₄C₁im][HSO₄]_80%混合物进行的预处理在120℃下进行至多26小时或22小时。产率基于预处理前烘箱干燥的样品的重量。

图12显示的是使用[C₄C₁im][MeSO₄]_80%和[C₄C₁im][HSO₄]_80%在120℃下预处理不同的时间长度对芒草粉的组成所产生的效果。

图13显示的是对未处理的芒草和经离子液体处理的芒草浆料进行酶促水解后的木质素和半纤维素含量以及葡萄糖产率。糖化产率基于预处理前烘箱干燥的样品的重量。

图14显示的是使用80%/20%v/v离子液体水混合物进行的预处理对芒草组成的影响。阴离子根据其氢键受体强度来排序。

图15显示的是木质素和半纤维素含量与纤维素消化率之间的定量关系。

图16显示的是使用80%/20%v/v离子液体水混合物在120℃下预处理22小时后的糖化产率。产率在96小时后确定。产率基于预处理前烘箱干燥的样品的重量。

图17显示的是预处理液剂中增溶的糖和糖脱水产物的浓度。产率基于预处理前烘箱干燥的样品的重量。

图18显示的是阴离子对脱木质素率和对沉淀后的木质素回收率的影响。使用离子液体水混合物在120℃下预处理了经研磨的芒草22小时。除了在[C₂C₁im][MeCO₂]中以外，离子液体阳离子是[C₄C₁im]⁺。产率基于预处理前烘箱干燥的样品的重量。最初的木质素含量为26.5%。

图19显示的是使用80%/20%v/v[C₄C₁im][HSO₄]水混合物进行预处理之前和之后的经研磨的芒草、柳木和松木的组成。

图20显示的是使用80%/20%v/v[C₂C₁im][MeCO₂]水混合物和80%/20%v/v[C₄C₁im][HSO₄]水混合物对不同类型的木质纤维素生物质的预处理对组成的影响。

图21显示的是使用80%/20%v/v离子液体水混合物预处理并对所获得的浆料糖化96小时后的葡萄糖产率。产率基于预处理前烘箱干燥的样品的重量。

图22显示的是使用80%/20%v/v离子液体水混合物预处理后的脱木质素率和木质素回收率。离子液体是[C₄C₁im][HSO₄]and[C₂C₁im][MeCO₂]。未进行重复。产率显示为木质素在未处理的生物质中的百分比。

图23显示的是芒草片和柳木片的糖化时间进程。产率基于预处理前烘箱干燥的样品的重量。

图24显示的是在使用[C₄C₁im][MeSO₄]或[C₄C₁im][HSO₄]水混合物在120℃下进行预处理后从芒草浆料获得的糖产率。[C₄C₁im][MeSO₄]预处理进行了22小时，而[C₄C₁im][HSO₄]预处理持续了13小时，随后糖化96小时。产率基于未处理的生物质中的葡聚糖和半纤维素含量。

图25显示的是在预处理芒草之后再循环的离子液体中[MeSO₄]^-阴离子与离子液体阳离子之比(通过¹H-NMR检测)，其余的阴离子为[HSO₄]^-。

图26显示的是在对使用[C₄C₁im][MeSO₄]_80%和[C₄C₁im][HSO₄]_80%在120℃下预处理过的芒草进行酶促水解之后葡萄糖和半纤维素的产率。产率基于未处理的生物质中的葡聚糖和半纤维素含量。

图27显示的是在使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%和[C₄C₁im][MeSO₄]_80%在120℃下预处理2小时或22小时之前和之后的芒草的组成。

图28显示的是在120℃下进行预处理的过程中在[C₄C₁im][HSO₄]_80%和[C₄C₁im][MeSO₄]_80%液剂中发现的葡萄糖和半纤维素单体的量。产率基于未处理的生物质中的葡聚糖和半纤维素含量。

图29显示的是使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%和[C₄C₁im][MeSO₄]_80%液剂进行预处理后增溶的碳水化合物(仅单体)和转化为糠醛的部分。产率基于未处理的生物质中的葡聚糖和半纤维素含量。

图30显示的是使用[C₄C₁im][HSO₄]水混合物在120℃下预处理芒草13小时后沉淀物的产率(相对于未处理的生物质的Klason-木质素含量)。

图31显示的是从使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%处理了22小时的芒草中分离出的木质素(黑色)和碱木质素(来自Aldrich，红色)的IR光谱。

图32显示的是从使用[C₄Him][HSO₄]_80%处理了20小时的芒草中分离出的木质素(蓝色)和碱木质素(来自Aldrich，红色)的IR光谱。

图33显示的是从使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%处理了22小时的松木中分离出的木质素(蓝色)和碱木质素(来自Aldrich，红色)的IR光谱。

图34显示的是在使用[C₄C₁im][MeSO₄]_80%和[C₄C₁im][HSO₄]_80%在120℃下预处理芒草之后木质素回收率的时间进程。用水进行沉淀来从液剂中分离出木质素。

图35显示的是在使用[C₄Him][HSO₄]_95%和[C₄Him][HSO₄]_80%进行预处理之后从芒草获得的促酶糖化产率。糖化进行了96小时。产率基于未处理的生物质中的葡聚糖和半纤维素含量。

图36显示的是在使用[C₄Him][HSO₄]水混合物在120℃下进行了预处理之后的芒草的组成。

图37显示的是在使用[C₄Him][HSO₄]水混合物在120℃下预处理芒草之后的木质素去除率和沉淀物产率。产率基于未处理的生物质中的木质素含量。

图38显示的是在使用80%离子液体水混合物在120℃下预处理22小时后离子液体阴离子对质量减少和回收的浆料的组成的影响。数据根据离子液体的氢键碱度排序(由左至右)，氢键碱度在1,3-二烷基咪唑鎓离子液体情形中是阴离子的性质。

图39显示的是在对使用80/20体积%的离子液体水混合物于120℃预处理了22小时的芒草浆料进行酶促糖化之后离子液体阴离子对葡萄糖和半纤维素产率的影响。产率基于未处理的生物质中的葡聚糖和半纤维素含量。

图40显示的是在使用80/20体积%离子液体水混合物预处理芒草之后阴离子对木质素去除率和沉淀物产率的影响。来自含[HSO₄]^-液剂的较高产率(与图30和图34相比)归因于本实验中所使用的较大量的离子液体和生物质。这些值是相对于未经处理的生物质中的木质素含量而言的。

图41显示的是在120℃下处理芒草22小时之后在含有80体积%的具有不同阴离子的1,3-二烷基咪唑鎓离子液体和20体积%的水的液剂中增溶的糖单体和糠醛。产率基于未处理的生物质中的葡聚糖和半纤维素含量。

图42显示的是在使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%和[C₄C₁im][MeCO₂]_80%在120℃下预处理22小时之前和之后柳木(左侧的三个柱状图)和松木(右侧)的组成。

图43显示的是在使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%或[C₂C₁im][MeCO₂]_80%在120℃下预处理22小时之后木质纤维素原料的酶促糖化。产率基于未处理的生物质中的葡聚糖和半纤维素含量。

图44显示的是在使用[C₄Him][HSO₄]进行处理后再进行96小时的酶促糖化之后的葡萄糖产率，其中酸和碱的相对浓度各异。

图45显示的是在使用[C₄Him][HSO₄]进行处理后再进行96小时的酶促糖化之后的木糖、甘露糖和半乳糖产率，其中酸和碱的相对浓度各异。

图46显示的是在使用[C₄Him][HSO₄]进行处理后在酶促糖化过程中葡萄糖产率随时间的变化，其中酸和碱的相对浓度各异。

图47显示的是在使用[C₄Him][HSO₄]进行处理后在酶促糖化过程中木糖产率随时间的变化，其中酸和碱的相对浓度各异。

图48显示的是在使用[C₄Him][HSO₄]进行处理后相对于未经处理的生物质中木质素含量的沉淀物产率，其中酸和碱的相对浓度各异。

图49显示的是各种预处理方法相对于干木材的木片研磨节能率。

图50显示的是以样品干重的百分比给出的对以不同方式预处理的木片进行研磨而得到的木粉经酶处理后的糖产率。

实施例1

生物质

木质纤维素生物质为来自东萨塞克斯的松木边材(欧洲赤松(Pinus sylvestris)，SCOES品种)、柳木(柳属(Salix sp.)，TORA品种)的去皮混合茎和巨芒。所有生物质在使用前都在室温下风干存储，并磨碎和筛分(筛孔为0.18mm～0.85mm)。将干燥的巨芒节间体()切割为5mm高的圆盘，以获得芒草片。基于烘箱干燥的重量，未处理的木质纤维素的水含量为8.0%(芒草)、8.9%(松木)和7.6%(柳木)。将该生物质在室温下存储在塑料袋中。

硫酸氢1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im][HSO₄]的合成

在配备有格雷厄姆冷凝器及随后的李比希冷凝器的水平圆底烧瓶中，将170.67g(682mmol)[C₄C₁im][MeSO₄](BASF品质)与25ml蒸馏水混合。加热该混合物至回流。使用温控循环器将格雷厄姆冷凝器冷却至65℃。用室温的水和冷凝的甲醇使李比希冷凝器冷却。

将水回流24小时。利用旋转蒸发器除去大部分水，并在45℃真空干燥离子液体。产率为98.1重量%。

甲磺酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im][MeSO₃]的合成

将50.0ml(0.380mol)1-乙基咪唑和42ml(0.495mol)碳酸二甲酯和100ml甲醇装入配备有Teflon内衬和搅拌棒的300ml不锈钢压力反应器中。在140℃下加热该混合物24小时，之后获得含有产物离子液体的淡黄色溶液(转化率：98%)。

将33.73g(351mmol)纯甲磺酸添加至搅拌下的含有351mmol甲基碳酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓的粗产品混合物中。观察到剧烈的气体形成。将离子液体真空干燥，直至观察到结晶。将产物在乙腈中重结晶两次，使用乙酸乙酯洗涤，并在减压下干燥。产物为白色固体。产率：70%。

芒草片的液体吸收

在真空下用离子液体覆盖芒草木片以促进均匀浸透。离子液体如上所述制备，但也可以商购自例如Sigma-Aldrich、BASF。将离子液体干燥至水含量<0.3重量%，[C₄Him][HSO₄]除外，其水含量为1重量%。

将样品在带有塑料盖的掀盖式玻璃小瓶中培养20天，然后加热至80℃并持续几小时。根据等式1计算吸收率，其中m_80℃为培养后的质量，m_ps为在室温下预浸渍之后的质量，ρ为25℃的离子液体的密度。

等式1

水含量的确定

为确定水含量，将100mg～200mg风干的生物质包裹在重量已知的铝箔中，并在105℃的烘箱中过夜干燥。将样品转移至具有活性硅的干燥器中，并在5分钟后确定重量。根据等式2计算水含量。风干的生物质(未处理的和已处理的)的水含量在5%～12%范围内。

等式2

芒草片在[C₄C₁im][MeSO₄]中的软化

为了发现对生物质具有溶胀作用的离子液体而设计了试验测量，在这些试验测量中，当将样品加热至80℃时，观察到了离子液体[C₄C₁im][MeSO₄]对芒草片具有不寻常的效果。与溶胀相反，这些片发生了收缩，并且吸收了比浸入其他离子液体或水中的片显著更多的液体(图1)。

浸入此离子液体中的片变软，甚至在搅拌时在视觉上溶解在了离子液体中。在显微镜下检查该表观溶液，并显示出分开的薄壁组织细胞和纤维细胞的存在(图2)。

中胶层(细胞壁之间的胶)看似受到离子液体的影响。草的中胶层由包含果胶的半纤维素和在成熟组织中比例很大的木质素(在完全木质化的木材中>50%)构成。因此，这两种主要组分中的任一种或全部两种被离子液体增溶是可能的。

这些结果表明，在采用温和处理时芒草片的表面积可以得到极大地增加，还表明离子液体可能能够通过使木质素和半纤维素增溶而提高木质纤维素的可消化性。

木质纤维素生物质的预处理和浆料的分离

为确保获得均质的样品，研磨芒草茎，并使用宽度为0.18mm～0.85mm的颗粒。该生物质在冬季获得并风干。预处理在具有螺旋盖和Teflon内衬的广口培养瓶中进行。选择这样的瓶是因为其保证能够承受最高120℃的温度并且Teflon内衬可确保耐化学性和紧密的封盖。不采用搅拌，因为烘箱不支持搅拌。为尽可能减少离子液体的使用，除非另外说明，否则采用的是0.5g的小批量的经烘箱干燥的生物质。向其中添加5ml预处理溶剂。这刚刚足以覆盖经研磨的芒草生物质而不压迫它。

在预处理结束之后，使样品冷却至室温，并与10ml甲醇混合。几小时后，通过滤纸(Whatman541或等价物，硬化的)过滤该悬浮液。保留上清液用于确定木质素产率和分析糠醛含量。固体则用洗瓶中的甲醇洗涤，并使用10ml新鲜甲醇过夜温育。再次过滤悬浮液，使用洗瓶中的甲醇冲洗，并将固体放在实验台上的滤纸上过夜干燥。记录风干后的重量，并将样品转移至可重复密封的气密的样品袋中。如上所述确定水含量。为获得足够进行成分分析的材料，将预处理实验放大2～3倍。

木质素的分离

将预处理后获得的上清液在40℃于轻度真空中干燥，从而利用配备有加热盘和稀土金属搅拌棒的带有玻璃试管的Carousel12(Radleys)除去有机洗涤溶剂。添加10ml水以沉淀出作为细悬浮物的木质素。将沉淀物用蒸馏水洗涤3次，风干，随后在室温下于高真空中干燥。称重以确定产率。将沉淀物存储于带有塑料盖的玻璃小瓶中。

利用以下等式，基于未处理的生物质中的Klason木质素含量来计算沉淀物产率。部分沉淀物可能是伪木质素。

使用配备有金刚石晶体通用ATR采样附件的Spectrum100IR机(Perkin-Elmer)，通过IR光谱来表征沉淀物。

令人惊讶的是，发现使用纯[C₄C₁im][MeSO₄]在120℃处理芒草粉时获得了固体离子液体木糊剂(图3左图)。该糊剂的糖化产率低。但是，添加水使离子液体和芒草浆料分离(图3右图)，即使在长期加热(24小时)之后也是如此。在预处理过程中，液体变得几乎为黑色，但在使液体和固体部分分离后，获得了米色浆料。在初步实验中，观察到了非常高的消化率。

实施例2

糖化

根据LAP“Enzymatic saccharification of lignocellulosic biomass”(NREL/TP-510-42629)(发布日期：3/21/2008)来进行酶促糖化。每个糖化反应中使用150mg未处理的和经预处理的风干样品。当预处理条件在两个或三个平行试样中进行时，每个样品仅进行一次糖化。如果预处理条件未重复进行，则分两个平行试样进行糖化。酶是里氏木霉纤维素酶和Novozyme188纤维二糖酶(均来自Sigma-Aldrich)，Novozyme188也含有半纤维素裂解活性因此能够水解木聚糖。葡萄糖和半纤维素产率分别基于未经处理的生物质中的葡萄糖和半纤维素含量来计算。

组成分析

组分分析(木质素、碳水化合物、灰分)根据实验室分析程序(LAP)“Determinationof structural carbohydrates and lignin in biomass”(NREL/TP-510-42618)(发布日期：4/25/2008)来进行。未进行重复。

根据LAP“Determination of extractives”(NREL/TP-510-42619)(发布日期：7/17/2005)，使用ASE300加速溶剂提取器(Dionex)，用95%乙醇进行一步式自动溶剂提取，从而除去未处理的松木和柳木生物质中的提取物。根据同一LAP，先利用去离子水之后利用95%乙醇进行两步式溶剂提取，从而除去未处理的芒草中的提取物。

在配备有Aminex HPX-87P柱(Biorad)、脱灰柱和Carbo-P保护柱的Agilent1200系统上进行葡萄糖和半纤维素糖的HPLC分析。流动相为去离子水。柱温设定为80℃，流速为0.6ml/分钟。将碳水化合物、Klason木质素、灰分和提取物(适用时)的含量表达为总量(归一化为100%)的分数。

对增溶的糖和糠醛的定量

在1.5ml塑料杯中将200μl预处理液剂与600μl去离子水混合，在涡旋混合器上混匀，并使用台式离心机(Biofuge13,Heraeus)以最大速度离心10分钟。将上清液转移至干净的杯中并离心10分钟。将上清液转移至HPLC样品小瓶中，并在配备有使用10mM硫酸流动相的Aminex HPX-87H柱(Biorad)的Jasco HPLC系统上进行分析。柱烘箱的温度为55℃，流速为0.6ml/分钟，采集时间为55分钟。用去离子水将标准浓度的2-呋喃甲醛(糠醛)和5-(羟基甲基)-2-呋喃甲醛(HMF)标准样制备为0.01mg/ml、0.02mg/ml、0.1mg/ml、0.2mg/ml和0.4mg/ml的浓度。针对碳水化合物的标准样为0.1mg/ml、1mg/ml、2mg/ml和4mg/ml。因子F_HPLC(S)获自相应的校准曲线。利用等式3计算增溶的糖单体和糠醛的相对产率(重量%(S))。分质量转换因子F_T对于糠醛为1.37，对于HMF为1.28，对于葡萄糖为0.91，对于半纤维素糖为0.88。质量分数因子F_C对于半纤维素糖和糠醛为0.243，对于葡萄糖和HMF为0.436。

等式3

A_HPLC：HPLC峰的面积，F_HPLC(S)：物质S的HPLC校准因子，F_D：稀释因子，V_PL：预处理液剂的体积(ml)，m_生物质：生物质(烘箱干燥的重量)(mg)，F_C：通过组成分析确定的未处理的生物质中葡聚糖或半纤维素糖的分数，F_T(S)：表明初始材料与产物之间的分子量差异的转换因子。

使用甲基硫酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓水混合物预处理之后的糖化产率

研究了水含量对于消化率的影响。这确认了在使用此离子液体进行预处理时水是一个重要因素。将水含量在2v/v%～80v/v%之间改变。组成是指所添加的纯组分的量，由此忽略了对于体积的混合效应。将预处理时间设定为22小时，使得预处理在缺少搅拌时也能够完全进行。将一组对照样品用纯去离子水处理。根据图4处理样品。使用缓冲液中的纤维素酶和半纤维素酶混合物(Novozyme188)对可在预处理之后分离出的浆料进行糖化。

酶消化之后的产率显示在图5中。糖产率的差异很大。观察到最高的葡萄糖产率对应于含有10%～40%水的混合物。更高或更低的水含量降低了葡萄糖产率。半纤维素糖木糖也可以得到定量。虽然其产率低很多，但遵循相似的趋势。诸如阿拉伯糖、甘露糖和半乳糖等其他半纤维素糖低于检测水平。

可将糖化产率与最初的生物质的组成进行比较。风干的生物质中的葡萄糖的量为43.6%。糖化后葡萄糖产率为37.7重量%～40.2重量%，这意味着最初的葡萄糖的86%～92%都回收在固体部分中，并且可以用纤维素酶在48小时内水解。这些产率非常高，并与经水处理的对照组的产率形成强烈反差，对照组中葡萄糖产率极低。

与未处理的生物质中的半纤维素含量相比，经预处理的样品中的半纤维素产率通常较低。5.3%～6.4%的产率意味着在糖化过程中仅有29%～35%的半纤维素得到回收。这仍高于对照组的回收率。几乎定量的葡萄糖回收率和良好的半纤维素回收率也反映在糖化过程中浆料的液化。虽然未处理的芒草在糖化过程中几乎不改变其外观，但经处理的材料几乎得到完全增溶。剩下的是大量棕色细粉末。其可能如下所述由洗涤过程中沉淀出的木质素构成。

发现预处理需要水是个好消息。水是普遍存在的；不仅生物质中存在水，而且离子液体可以含有大量吸收的水分。就过程而言，这意味着干燥生物质和离子液体均需要较少的能量消耗。这些结果也表明，相对宽范围的水浓度是可接受的，因此水含量的改变并不必然意味着产率的显著降低。水的存在改进了该过程，因为如果水含量过低则产率降低。

实施例3

洗涤溶剂对于生物质回收和分级分离的影响

前面的实施例表明，浆料中显著地富含纤维素，这意味着一些其他组分已被除去。低半纤维素产率表明很大部分半纤维素已得到增溶。但是，预处理液剂的暗色也表明，部分木质素在离子液体中得到增溶。天然木质素并未着色，但当木质素被化学改性时，其颜色通常变暗，正如市售木质素制剂所见的那样。

在洗涤阶段，之前透明的液剂在用蒸馏水稀释时变得浑浊，并且细沉淀物开始沉降。可能这便是木质素。由碳水化合物部分中分级分离出木质素是有机溶剂预处理的一部分，由其可获得有机溶剂木质素。

实施例4

再循环的[C₄C₁im][MeSO₄]的组成

在40℃下真空干燥在木质素沉淀之后获得的离子液体液剂。对干燥的离子液体的样品进行质谱分析。将所回收的离子液体的一部分溶于DMSO-d₆中并记录¹H NMR谱。利用在3.40ppm处的甲基的峰和C-2环氢的峰来确定阴离子与阳离子之比。在封盖容器中进行预处理，因此推断在预处理过程中水含量基本未变是合理的。已考虑了由离子液体和风干的生物质引入的水，但未考虑水解反应中消耗的水。

该谱表明，回收的离子液体似乎不含降解产物。但是，阴离子上的甲基的峰值积分显著变小。混合物的质谱揭示了硫酸氢根阴离子[HSO₄]^-与甲基硫酸根阴离子并存。甲基与阴离子其余部分之间的键是酯键，即甲氧基硫酸酯，因此，与所有酯相似，其在水存在时容易水解。因此，甲基信号的消失归因于甲基硫酸酯与其水解形式之间的化学动态平衡(图解1)。

图解1：在水存在时在较高温度下甲基硫酸根与硫酸氢根之间的动态平衡

预处理实验在封盖容器中进行，推断其为封闭系统是合理的。

实施例5

使用硫酸氢1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im][HSO₄]水混合物进行预处理

使用硫酸氢1-丁基-3-甲基咪唑鎓水混合物进行预处理实验。如果是甲基硫酸根阴离子和甲醇起重要作用，则此时产率会降低。如果是硫酸氢根起重要作用，则产率会与之前一样高。硫酸氢根阴离子与那些阴离子之间的主要区别在于酸性。硫酸氢根的pK_a为1.99。这比乙酸(pK_a=4.72)的酸性更强，但弱于盐酸(pK_a=-7)。

用[C₄C₁im][HSO₄]水混合物预处理后的葡萄糖和木糖的糖化产率均与用[C₄C₁im][MeSO₄]水混合物时发现的产率非常相似(图7)。含10%～40%水的离子液体所对应的葡萄糖产率很高。实现这一效果所用的时间(13小时)比之前所用的时间(22小时)更短。

这证明与1-丁基-3-甲基咪唑鎓阳离子配对的硫酸氢根阴离子在预处理芒草木质纤维素时是有效的。

芒草浆料的回收率显示在图8中。纯水仅除去8%的物质，而离子液体所实现的去除要显著得多。使用60%～90%离子液体预处理之后的质量减少为约50%。对所回收的固体进行糖化之后的葡萄糖产率和总糖产率也描绘在图8中。可以看出，增溶的木质素和半纤维素越多，糖化产率就越高。该图还表明，浆料中富含作为葡萄糖的主要来源的纤维素。

还研究了木质素从[C₄C₁im][HSO₄]中的沉淀。图9显示了用甲醇洗涤生物质和用水沉淀之后的木质素产率。木质素产率与离子液体浓度关系紧密。离子液体含量越高，则能够分离出的木质素越多。产率从水含量为5%和10%时的13.4%和13.7%到水含量为60%时的9.5%仅缓慢下降。当水含量从60%提高至80%时观察到木质素产率的急剧下降。这与水含量为80%时的生物质增溶下降一致(图8)。

实施例6

离子液体预处理的时间进程

研究了含有[C₄C₁im][HSO₄]或[C₄C₁im][MeSO₄]的离子液体水混合物(其在所用的条件下含有[MeSO₄]^-和[HSO₄]^-阴离子的混合物)随时间推移的预处理效果。将80%离子液体预处理液剂用作预处理液剂实例。

甲基硫酸盐和硫酸氢盐的时间解析的生物质回收率显示在图10中。可以看出，大部分生物质增溶出现在预处理开始后4小时内，对应于质量减少的90%。其余的10%在接下来的18～20小时内增溶。两种预处理液剂均为这一情形。在4小时的时间点之前，观察到轻微差别，即，在45分钟和90分钟内硫酸氢盐在除去可溶生物质部分方面占优。

相应的糖化和木质素产率显示在图11中。在最初8小时内葡萄糖产率急剧升高，然后在剩余时间内逐渐变平。另一方面，半纤维素产率在8小时达到约7%的最大产率，然后，随着预处理接近结束，下降至5%。

虽然大部分质量减少出现在4小时内，但通过将预处理延长至8小时，葡萄糖产率得到显著提高。

木质素产率遵循相似的趋势，在最初8小时内迅速升高，之后仅略微改变。

总之，数据表明，预处理不需要进行22小时或甚至不需要进行13小时。8小时～10小时似乎足以获得葡萄糖的最大可能产率。延长预处理时间似乎对葡萄糖产率没有显著影响，而浆料的半纤维素产率将随较长的预处理时间而略有降低。

显著的质量减少与高葡萄糖产率相关联表明存在高度富集的纤维素部分。为确认这一点，在预处理之前或者过程中，对芒草的组成进行了分析。使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%和[C₄C₁im][MeSO₄]_80%预处理经研磨的芒草2小时。2小时的培养使其进入“活性”阶段，这时质量减少和糖化产率迅速上升。因此，对此样品的分析为此预处理阶段中的组成变化提供了一个掠影。

图12显示的是在使用[C₄C₁im][MeSO₄]_80%时2小时的预处理导致了10%的质量减少。半纤维素含量几乎未变，而木质素含量减少至70%。使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理后的质量减少明显更高。如图所示，这是因为木质素含量下降(下降了44%)以及半纤维素糖的去除。2小时内半纤维素含量减半。这可以利用半纤维素的酸不稳定性来解释。其为在酸性条件下最易水解的部分。半纤维素的增溶化是稀酸预处理中的主要作用形式，这在有机溶剂法的酸性条件下也会发生。

预处理22小时后的组成也显示在图12中。长时间预处理之后的固体部分仅由46%的最初的生物质构成。最大的部分是葡萄糖，其占固体残余物的85.2%。这几乎是最初的生物质中的浓度的两倍，最初的生物质中的葡萄糖含量为43.6%。看起来，在预处理过程中损失了一些葡萄糖。可能的是，这部分损失可能是包含在半纤维素中的葡萄糖，还可能的是，纤维素微纤束中的无定形区的暴露部分可能已水解。不过，39.5%的最初的生物质作为葡萄糖被回收，是葡萄糖部分的91%。22小时浆料的半纤维素含量很低，占固体部分的不到9.4%。这意味着去除了80%的(非葡萄糖)半纤维素糖。对于木质素观察到了相似的趋势。22小时后木质素含量仅为4.1%。这意味着最初的木质素有93%被增溶。

包含于此浆料中的高度富集的纤维素非常易于被酶水解。木质素和半纤维素去除率与葡萄糖的糖化产率之间的关系描绘在图13中。离子液体预处理引起的木质素去除率与糖化产率之间的相互关系已在前面说明。

实施例7

阴离子对生物质组成和糖化产率的影响

对[C₄C₁im][MeSO₄]和[C₄C₁im][HSO₄]水混合物的影响进行了研究，并揭示了利用这些预处理溶剂可以进行高效的木质纤维素预处理。为进一步评估是哪些特征使离子液体有效，研究了阴离子的影响。离子液体阴离子的作用以前曾是焦点，并被证明是促进细胞壁溶胀的重要因素。

在研究阴离子的作用时，还选择了截至目前研究得最充分的条件，即，用[C₄C₁im][HSO₄]_80%在120℃下预处理22小时。用于进行比较的阴离子为乙酸根、氯离子、甲基苯磺酸根和三氟甲基苯磺酸根。预处理的有效性未能与阴离子的氢键碱性关联起来。

将对组成和质量减少的影响描绘在图14中。这些结果根据各阴离子的氢键碱性来排序，其中高值在左侧。显然，[HSO₄]^-阴离子引起了最大的质量减少，同时伴随着木质素和半纤维素的完全去除。

在使用[MeSO₃]^-阴离子时发现了第二高效的制浆。半纤维素含量降低至相似水平，但木质素含量明显较高。使用乙酸盐离子液体预处理后观察到半纤维素和木质素含量显著降低。但是，在这些条件下，制浆效率明显更低。含氯离子的离子液体的作用出人意料地小。[C₄C₁im][OTf](三氟甲基苯磺酸盐)对组成的影响最小。

发现了半纤维素和木质素的去除与糖化产率之间的关联性(图15)。使用[C₄C₁im][MeSO₃]和[C₄C₁im][HSO₄]水混合物后获得了最高的葡萄糖产率。使用[C₂C₁im][MeCO₂]进行预处理后葡萄糖产率良好，但未达到与甲基苯磺酸盐和硫酸氢盐类预处理溶剂同一水平的消化率。由含有氯离子和三氟甲磺酸离子的混合物获得的葡萄糖产率非常低。

半纤维素产率表现得略有不同(图16)。该产率在[C₂C₁im][MeCO₂]处理后最高(9.6%)，在[C₄C₁im][MeSO₃]预处理之后居中(6.0%)，在[C₄C₁im][HSO₄]处理之后较低(3.3%)。这似乎与离子液体混合物的酸性有关，离子液体混合物的酸性对于半纤维素部分的稳定性具有重大影响。

乙酸根阴离子可以对水溶液产生缓冲作用，从而限制糖苷键的水解。作为强酸的基体的甲基苯磺酸根无法发挥此功能，并观察到了更多的水解。硫酸氢根酸性更强，并会使pH降低至2以下。这不仅会有助于半纤维素水解，还能促进糖单体进一步反应形成糠醛和其他可能的降解产物。

预处理液剂中发现的糖单体和糠醛的量显示在图17中。使用[C₂C₁im][MeCO₂]进行预处理后获得了非常少量的单体，并且实际上未获得糠醛。浆料中回收了较大部分的半纤维素(所有半纤维素的63%)。其余纤维素可能被增溶但处于低聚状态，并且用可获得的HPLC装置检测不到。

在含有[MeSO₃]^-和[HSO₄]^-的液剂中发现大量的单体和糠醛。在这两种液体中，检测到最初的生物质的13.3重量%和12.1重量%为单体或单体水解产物。在各种产物中的分布存在显著差异。在甲基苯磺酸盐液剂中单体半纤维素是主导部分，而在硫酸氢盐液剂中糠醛是主要部分。

含有氯离子和[OTf]^-的液剂均具有低丰度的单体及水解产物，鉴于它们所取得的可忽略的分级分离和极小的质量减少，这并不令人惊讶。

还确定了80/20体积%的离子液体水混合物所对应的木质素回收率(图18)。生物质中的木质素去除率(脱木质素率)也显示在该图中。

木质素回收率在[C₄C₁im][HSO₄]_80%中最高，回收了最初的木质素的64%，其次是[C₄C₁im][MeSO₃]_80%中的31%的木质素回收率，以及[C₂C₁im][MeCO₂]_80%中回收的所有木质素的18%。

实施例8

木质纤维素类型的影响

对经研磨的柳木和经研磨的松木也进行了在120℃下的历时22小时的[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理。对生物质组成的影响显示在图19中。它表明，该预处理对其他生物质类型具有相似的作用。特别是，对柳木的影响与对芒草的效果非常相似，均获得了对半纤维素和木质素的高水平增溶。对松木的效果较不明显。

还使用[C₂C₁im][MeCO₂]_80%对不同生物质类型进行了预处理。对生物质组成的影响显示在图20中。当阴离子是乙酸根时，不论生物质类型如何，均观察到较低的脱木质素率和较低的半纤维素去除率。再次出现了松木粉更抗拒预处理的一般趋势。[C₂C₁im][MeCO₂]_80%液剂对松木组成具有非常小的影响，对木质素有一定增溶。在使用[C₂C₁im][MeCO₂]_80%进行预处理的过程中葡萄糖部分也有一定减少。这归因于纤维素在乙酸根离子液体中的溶解性。虽然大部分纤维素在使用甲醇洗涤浆料的过程中沉淀出来，但观察到一些生物质仍然分散在稀释的液剂中，且仅在进一步稀释之后沉淀。

对柳木和松木的活性相比对芒草的活性有所下降，这可以用柳木和松木细胞壁较厚和孔较小来解释。这导致了质量传递局限性。木质素内的或者木质素与半纤维素之间的组成差异和化学键的天然丰度的差异也可能是原因。

糖化结果反映了组成改变。木质素和半纤维素的去除率与纤维素部分的更好的消化率一致(图21)。经[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理的芒草生物质取得了最高消化率。使用同样的预处理液剂预处理的柳木获得了次好的产率。所测试的生物质阴离子组合的顺序为芒草[HSO₄]^->柳木[HSO₄]^->芒草[MeCO₂]^->柳木[MeCO₂]^->松木[HSO₄]^->松木[MeCO₂]^-。松木的糖化产率低得令人惊讶。对于使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理的松木，观察到了较大的脱木质素率(66%)和半纤维素去除率(69%)，但是葡萄糖产率仅为理论可能产率的30%。

木质素产率与脱木质素率一同显示在图22中。使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%情况下的脱木质素率总体高于使用[C₂C₁im][MeCO₂]_80%情况下的脱木质素率。此外，来自[C₄C₁im][HSO₄]_80%液剂的木质素回收率似乎更佳。

已报告了预处理液剂的酸化可以提高木质素回收率。这可能是使用硫酸氢盐离子液体的主要优点，因为此离子液体本身已是酸性的。使用[C₂C₁im][MeCO₂]_80%时的低脱木质素率可能是因为水含量高。已证明了水含量与使用[C₂C₁im][MeCO₂]时的木质素去除率负相关。

实施例9

对芒草和柳木片的预处理

芒草和柳木看起来均是非常好的[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理基质。目前为止，基质均为经研磨的生物质。但是，真正高效节能的预处理过程将使用粗切碎的生物质，因为研磨是能量密集型操作。因此，对具有小片尺寸的生物质进行了[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理效率的测试。对于芒草片，观察到抗拒性较小的木髓的较大崩解。在机械冲击下，结构变软变脆。在滤纸上还沉积有细粉，其一定是已脱离小片的细胞壁的部分。

柳木片在预处理时也发生了明显改变。除变色之外，木片还明显更容易分解。未反应的松木片需要强力的机械冲击来破碎，例如锯或研磨，而经预处理的木片可以使用钝铲来破碎。这表明，在研磨前用离子液体预处理木片可以减少粉碎所需的能量。

从木片尺寸的生物质获得的葡萄糖产率描绘在图23中。芒草纤维素的酶促水解进行的更快，但在48小时后停止。在糖化中仅释放了70%的葡萄糖，相比之下由经研磨的材料获得了>85%的葡萄糖。对于残余物的目视检查显示，剩余物为来自抗拒性的外圈的材料。柳木片的糖化产率令人惊讶地好，达到了与经研磨的生物质相当的水平(来自经研磨的生物质的葡萄糖回收率为84%，而来自经研磨的柳木的葡萄糖回收率为81%)。硬木的较厚的细胞壁和减小的表面积可能是糖化较缓慢的原因。

实施例10

水对离子液体预处理的有效性的影响

设计了一种表示法来指示包含于预处理溶剂/液剂中的离子液体的量。这种表示法包括添加到常用离子液体表示法后的下标，其指示以体积百分比(体积%)计的离子液体含量，其余部分为水。一个实例是[C₄C₁im][MeSO₄]_80%，它是80体积%的[C₄C₁im][MeSO₄]和20体积%的水的混合物。计算体积%与重量百分比(重量%)和摩尔百分比(摩尔%)的转化关系，并列在下表1中。当使[C₄C₁im][MeSO₄]与实验室空气中的水分达到动态平衡后，测得水含量为70,400ppm或7.0重量%(表1的最后一项)。虽然空气的水含量是可变的，但该测量证实了此离子液体的高吸湿性。

表1：水性预处理液剂中的离子液体浓度

*这些离子液体在室温下为固体。因此利用在80℃时的密度计算体积%和重量%。

这一工作的目的是研究离子液体液剂的组成对预处理的影响。研究了固体回收率、浆料组成、其酶促消化率、含木质素部分的沉淀率和该液剂中糠醛的产生。还检验了离子液体与单烷基化咪唑鎓阳离子的应用。对不同原料进行预处理，以评估其对于使用离子液体水混合物的预处理的抵抗性。

芒草片的组织软化

在初步实验中，发明人观察到，当在高于80℃加热时，浸在离子液体甲基硫酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im][MeSO₄]中的芒草横截面发生较大崩解。这促使发明人研究此离子液体在生物质处理中的应用。使用已干燥至水含量低于0.3重量%的[C₄C₁im][MeSO₄]时，引起了降解的生物质-离子液体复合物的形成，该复合物不能用酶消化。相反，使用80体积%离子液体和20体积%水的混合物时，获得了可从(颜色浓重的)离子液体部分中分离出并且高度可消化的固体部分。结论是，为成功地用[C₄C₁im][MeSO₄]进行预处理，一定量的水是必要的。在“干”样品中，离子液体中含有0.3重量%水作为残余水分，且0.7重量%的水由含有8重量%水分的风干的生物质引入，总计提供1.1重量%或15摩尔%的水。这显然不足以获得可酶促消化的浆料。

实施例11

水含量对使用[C₄C₁im][MeSO₄]离子液体进行预处理后的糖化产率的影响

将多种离子液体水混合物用于预处理芒草，以更详细地探讨水含量的作用。水对葡萄糖和半纤维素的酶促释放的作用显示在图24中。产率基于未处理的芒草原料中的葡萄糖和半纤维素含量(二者分别为43.6重量%和24.3重量%)(在烘箱干燥的基础上)来计算。初步实验显示，糖化过程中释放的唯一可检测到的半纤维素糖是木糖。

在使用含有60体积%～90体积%离子液体的混合物进行预处理之后获得了最高的糖化产率。使用[C₄C₁im][MeSO₄]_90%的预处理引起最初包含于生物质中的葡萄糖中的92%的释放。使用[C₄C₁im][MeSO₄]_80%和[C₄C₁im][MeSO₄]_60%的预处理引起最初葡聚糖含量的89%和87%的释放。当离子液体含量更高或更低时，葡萄糖产率降低。不论混合物的组成如何，半纤维素产率都显著低于葡萄糖产率；在[C₄C₁im][MeSO₄]_60%预处理之后半纤维素糖有24%(基于最初半纤维素含量)得到释放。利用含有40体积%～90体积%[C₄C₁im][MeSO₄]的混合物获得了相似的产率。

实施例12：[C₄C₁im][MeSO₄]的尝试性再循环

当尝试再循环[C₄C₁im][MeSO₄]时，发明人发现离子液体阴离子发生了部分水解。在记录了回收的离子液体的质谱之后，在m/z=97处检测到高丰度的带负电物种，其被归于硫酸氢根[HSO₄]^-阴离子。由此获得下述结论：甲基硫酸根阴离子中的酯键在预处理条件下是水解不稳定的，并产生了酯及其水解形式的混合物。

阴离子水解的程度取决于液剂中的水含量(图25)。混合物中存在的水越多，阴离子水解程度就越高，但水含量高于90摩尔%的混合物除外。这些结果表明，若不极其注意保护含有[MeSO₄]^-的离子液体，将存在[HSO₄]^-，利用这些阴离子的其他研究将因此得到解释²⁰。

实施例13水含量对经[C₄C₁im][HSO₄]处理的芒草的酶促糖化的影响

利用二元的甲基硫酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓水混合物变为两种离子液体加上两种分子溶剂(水和甲醇)的四元混合物这一知识，发明人开始鉴定活性组分。使用[C₄C₁im][HSO₄]的水混合物预处理芒草，这使我们排除了甲基硫酸盐和甲醇。由使用不同[C₄C₁im][HSO₄]水混合物预处理的浆料而获得的糖化产率显示在图中。葡萄糖产率与利用四元混合物获得的葡萄糖产率几乎相同。半纤维素释放模式也相似，但是，与使用含有等量甲基硫酸盐的混合物进行处理后相比，在用[C₄C₁im][HSO₄]_40%-80%预处理之后回收的半纤维素更少。

与使用其他离子液体预处理之后所报道的糖化产率相比，在离子液体预处理之后90%的葡萄糖回收率是显著改进。已经报道了在使用[C₄C₁im][MeCO₂]于90℃处理24小时之后，经研磨的枫木在酶作用下释放出74%的葡萄糖。在使用[C₂C₁im][MeCO₂]于90℃处理24小时之后，枫木释放出70%的葡萄糖。Li等报道了使用氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑鎓[C=C₂C₁im]Cl于120℃预处理5小时后，经研磨的桉木仅释放15%的葡萄糖；而经研磨的小麦秸秆在使用二乙基磷酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓[C₂C₁im][Et₂PO₄]于130℃预处理30分钟之后释放出55%的葡萄糖。应当注意，在上述列举中未考虑从球磨的木质纤维素样品获得的糖化产率，因为精细碾磨对于纤维素消化率具有相当大的影响²²。经研磨的材料的使用降低了经济上的可行性³¹，但使用通过球磨获得的细粉也与工业过程几乎无关。也未考虑使用3,5-二硝基水杨酸(DNS)来确定葡萄糖产率的研究。该测试对于葡萄糖不具有特异性，因此来自木质纤维素的葡萄糖产率通常被高估。

实施例14预处理时间对于酶促糖化的影响

接下来关注的是预处理时间的优化。图26显示的是在不同的时间长度之后[C₄C₁im][MeSO₄]_80%和[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理所对应的糖化产率。可以看出，纤维素和半纤维素消化率的提高主要出现在最初4小时内。这也是质量减少得到显著增加的时期。预处理实际上在8小时后完成，实现了约80%的葡萄糖和30%的半纤维素释放。当延长预处理时间时，葡萄糖产率略微升至高于85%，但半纤维素产率降低至刚刚高于20%。该实验表明，预处理混合物中甲基硫酸盐存在与否并不会显著影响预处理速度。据预期，使用更高的温度可以缩短预处理时间，但这必须与离子液体稳定性和潜在的副反应取得平衡。

实施例15[C₄C₁im][MeSO₄]_80%和[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理对生物质组成的影响

未处理的芒草和经预处理的浆料的组成显示在表2和图27中。未处理的生物质含有43.6%葡萄糖、24.3%半纤维素和26.5%木质素。在使用[C₄C₁im][MeSO₄]_80%预处理2小时后，主要效果是木质素含量降低。使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%处理2小时后，木质素和半纤维素得到去除。在延长预处理至22小时之后，大部分木质素和半纤维素被增溶，并且葡聚糖含量由未处理的生物质中的44%升高至经预处理的生物质中的85%。最初的葡聚糖有91%仍然存在于浆料中。22小时后的生物质回收率小于46%，表明超过一半的木材已在离子液体中得到增溶。Tan等报道了使用[C₂C₁im][ABS]于170℃～190℃预处理之后质量回收率为46%～55%，表明该离子液体混合物可能能够进行相似的生物质分级分离。关于[C₂C₁im][MeCO₂]，木质素和半纤维素的同时去除已有报道，尽管比本研究中用[C₄C₁im][HSO₄]_80%时所见的完成度较低。

表2：未经处理的芒草和使用[C₄C₁im][MeSO₄]和[C₄C₁im][HSO₄]预处理的芒草的组成

实施例16增溶的糖和糠醛的产生

如上所示，在使用[C₄C₁im][HSO₄]和[C₄C₁im][MeSO₄]水混合物进行处理的过程中，从生物质中除去了半纤维素。在预处理条件下，增溶的半纤维素可能发生(部分)水解。因此，研究了预处理液剂中单体碳水化合物的浓度。图28显示的是在不同时点在[C₄C₁im][HSO₄]_80%和[C₄C₁im][MeSO₄]_80%液剂中半纤维素糖和葡萄糖的相对量。

液剂中半纤维素单体的量在最初4小时内增加。[C₄C₁im][HSO₄]_80%液剂中的增加更为显著。在约4小时～8小时检测到最大量的半纤维素单体。这与4小时～8小时的处理之后纤维素消化率的大幅增加相一致。然后，预处理液剂中的半纤维素浓度降低，表明正在发生碳水化合物单体向糠醛的转化。

对于选定的混合物，检测离子液体液剂中的糠醛，并对其定量(图29)。葡萄糖含量显著低于半纤维素糖含量，并且几乎不随时间改变。较少量的增溶的葡萄糖归因于纤维素在预处理条件下的缓慢水解和葡萄糖分解为HMF。HMF量少，可能是因为其在水存在时分解为其他降解产物。

实施例17木质素回收率

发明人尝试了从液剂中回收木质素(图30)，因为在其他离子液体中已成功证明了这一点。发现用水稀释离子液体液剂会沉淀出细粉末。通过IR光谱法表征了该粉末，与参比木质素(碱性木质素)的光谱的比较显示，该沉淀物可能大部分是木质素(图31～34)。当使用甲醇代替水来洗涤浆料时，大部分沉淀物保留在溶液中，并观察到沉淀物回收率提高了15%～20%。因此，优选的是使用甲醇洗涤浆料。最终方案由以下方面构成：使用甲醇洗涤浆料，通过蒸发甲醇来干燥合并的离子液体部分，并通过用水稀释经干燥的离子液体液剂来沉淀出木质素。在确定产率之前，用大量水洗涤沉淀物并进行干燥。数据(图30)显示，沉淀物的产率最多为未处理的生物质中的Klason木质素含量的50%。当预处理液剂中的离子液体含量很高时，获得了更多的沉淀物。

发明人还检验了沉淀物产率的时间依赖性，并观察到，沉淀物产率在8小时内达到平稳程度(图34)。来自[C₄C₁im][HSO₄]_80%的产率略高于[C₄C₁im][MeSO₄]_80%。

实施例18离子液体阳离子的作用

使用具有单烷基化咪唑鎓阳离子(1-烷基咪唑鎓[C_nHim]⁺)的离子液体从工业角度看是有利的，因为该离子液体更容易合成，由此生产成本更低。因此，使用硫酸氢1-丁基咪唑鎓[C₄Him][HSO₄]对芒草进行示例性预处理。将使用[C₄Him][HSO₄]_80%进行处理并随后进行酶促糖化之后的糖产率显示在图35中。在4小时的预处理之后，69%最初的葡萄糖和10%最初的半纤维素在酶的作用下得到释放。通过延长处理至20小时，产率得到一定提高，此时回收了75%的葡萄糖。但是，木糖产率降低至仅3%。使用[HC₄im][HSO₄]_95%的预处理导致葡萄糖产率显著降低(44%)。

经[C₄Him][HSO₄]处理的芒草的组成分析结果和质量减少结果提供在表3和图36中。去除了80%～93%的木质素和超过95%的半纤维素。半纤维素的完全去除反映在糖化过程中获得的低木糖产率上。使用[C₄Him][HSO₄]_95%进行的处理不仅使木质素和半纤维素增溶，还引起纤维素部分(51%的葡聚糖)的充分去除，这解释了图35所示的降低的葡萄糖产率。结果表明，在相似的条件下，使用[C₄Him][HSO₄]进行的预处理比使用[C₄C₁im][HSO₄]的更严酷，这可能是因为与[C₄Him][HSO₄]的酸性比[C₄C₁im][HSO₄]高。

表3：使用[C₄Him][HSO₄]_80%和[C₄Him][HSO₄]_95%在120℃下预处理的芒草的组成。数值以%为单位给出。

也可以在稀释离子液体液剂后获得沉淀物(图37)。对于[C₄Him][HSO₄]_80%液剂，产率接近木质素含量的100%。对于95%液剂，沉淀物的量几乎为木质素含量的量的2倍。发明人用形成伪木质素来解释这种异常高的沉淀物产率。在严酷酸性条件下的生物质预处理过程中已经观察到水不溶性碳水化合物降解产物的形成，并发现其会干扰Klason木质素产率的确定。因此将其称为伪木质素。此类降解产物的形成是不期望的，需要优化预处理条件以使其尽可能减少。

实施例19离子液体阴离子对经离子液体处理的芒草的组成的影响

将[C₄C₁im][HSO₄]_80%处理对芒草的组成的影响与其他20/80体积%二烷基咪唑鎓离子液体水混合物对所述组成的影响进行比较。发明人检验的阴离子是四氟甲基磺酸根[OTf]^-、甲基磺酸根[MeSO₃]^-、氯离子Cl-和乙酸根[MeCO₂]^-。应当注意，含有乙酸根的离子液体[C₂C₁im][MeCO₂]为商品级品质。

表4：使用80%/20%离子液体水混合物在120℃下处理22小时后的经预处理的芒草的组成。数值以%为单位给出。

图38和表4显示了阴离子的性质对于质量减少和浆料组成具有显著影响。[C₄C₁im][HSO₄]_80%去除木质素和半纤维素最彻底，其次是[C₄C₁im][MeSO₃]_80%，之后是[C₂C₁im][MeCO₂]_80%。当使用[C₄C₁im]Cl_80%和[C₄C₁im][OTf]_80%处理生物质时，几乎观察不到任何组成变化，尽管对于这两种离子液体(无水形式)已经报道过Kraft木质素的高溶解度。若将木质素增溶和木质素提取(通常涉及化学改性)视为不同的性质，则可以解决这一矛盾。

实施例20阴离子对糖化产率的影响

还对使用离子液体液剂处理过的芒草进行了酶促糖化(图39)。总体上，酶促葡萄糖释放看似反映了离子液体预处理过程中所实现的组成改变/质量减少的程度。在[C₄C₁im][MeSO₃]_80%和[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理之后观察到了最高葡萄糖产率。半纤维素产率表现得略有不同。使用[C₂C₁im][MeCO₂]_80%预处理之后木糖产率最高。在[C₄C₁im][MeSO₃]_80%和[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理之后该产率明显较低。比较而言，在[C₄C₁im][MeCO₂]处理后的高半纤维素产率也可见于文献中。在[C₂C₁im][MeCO₂]_80%处理之后的高半纤维素回收率可能是因为碱性乙酸根阴离子所产生的缓冲作用。其与质子结合从而形成乙酸的能力可以限制半纤维素聚合物的酸催化水解。在离子液体、水和催化量的强酸的混合物中，观察到了[C₄C₁im][MeCO₂]对纤维二糖水解的抑制。Binder等也已观察到，尽管添加了催化剂量的HCl，[C₄C₁im][MeCO₂]中也存在对纤维素解聚的抑制。甲基磺酸根阴离子似乎具有较低的保护作用，并且从生物质中释放出的酸催化剂(乙酸和羟基肉桂酸)有助于木聚糖水解。硫酸氢根增加了可获得的质子的量，这可以解释浆料中特别低的木聚糖含量。使用[C₄C₁im]Cl_80%和[C₄C₁im][OTf]_80%处理之后获得的葡萄糖产率和木糖产率很低，尽管它们具有溶解纤维素和木质素制剂的能力(在三氟甲基磺酸情况中，仅具有木质素溶解能力)。

实施例21阴离子对脱木质素率和沉淀物回收率的影响

沉淀物的产率似乎与液剂提取木质素的能力有关(图40)。在使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%时获得了最佳脱木质素率和最高沉淀物产率，随后是[C₄C₁im][MeSO₃]_80%，然后是[C₂C₁im][MeCO₂]_80%。这支持了沉淀物包含木质素的观点，尽管图37显示在稀释离子液体液剂之后伪木质素也发生沉淀。

实施例22阴离子对形成可溶性分解产物的影响

在预处理液剂中得到增溶的碳水化合物单体及脱水产物的量显示在图41中。[C₄C₁im][HSO₄]_80%和[C₄C₁im][MeSO₃]_80%液剂包含了总半纤维素的约45%作为糖单体或糠醛。在[C₄C₁im][HSO₄]_80%中，占最大比例的大部分都是糠醛。在[C₄C₁im][MeSO₃]_80%中也观察到戊糖向糠醛的转化，但其程度较低。其原因在于该离子液体的非酸性性质。在含有乙酸根的液剂中仅检测到少量的单体，其原因可能在于增溶的碳水化合物大多为低聚物形式。在发明人的实验中，在[C₂C₁im][MeCO₂]_80%中无糠醛形成。该液剂的酸性可能是在该液剂中发现了浓度各异的糖单体和糠醛的原因。与糖苷键的水解相似，糠醛形成的速率取决于酸浓度。由于1,3-二烷基咪唑鎓离子液体的酸性/碱性由阴离子决定，因此其性质应该对增溶的半纤维素的命运具有深厚的影响。在所有情形中，增溶的葡萄糖和HMF的量均很小。其原因在于在预处理条件下纤维素部分的水解稳定性得到增强以及在水存在时HMF具有反应形成蚁酸和乙酰丙酸的倾向。

实施例23生物质类型的影响：对柳木和松木的预处理

还对经研磨的柳木(硬木物种)和松木(软木物种)进行了[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理。为了进行比较，还使用[C₂C₁im][MeCO₂]_80%预处理了柳木和松木。预处理对生物质组成的影响显示在表5和图42中。

表5：未处理的柳木和松木以及使用[C₄C₁im][HSO₄]_80%和[C₄C₁im][MeCO₂]_80%处理后的浆料的组成

对于这两种基质，与使用[C₂C₁im][MeCO₂]_80%处理之后相比，用[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理之后木质素和半纤维素的去除程度更高。对柳木进行[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理之后纤维素的富集程度几乎与在芒草浆料情形中观察到的富集程度一样好。可以从所有样品中回收沉淀物。从[C₄C₁im][HSO₄]_80%液剂中获得了明显更高的产率。通过酶促糖化获得的葡萄糖产率显示在图43中。超过80%的最初的葡萄糖从经[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理的柳木浆料中释放出，这接近从经该液剂预处理的芒草获得的糖化产率。但是，松木浆料的酶促糖化仅释放出至多30%的葡萄糖；离子液体的类型只起到很小的作用。在[C₄C₁im][HSO₄]_80%预处理后通常获得更高的产率，其原因可能在于，如在芒草情况中所观察到的，含有硫酸氢根的液剂所实现的木质素和半纤维素去除率较高。

实施例24离子液体溶剂性质和生物质消化率

由于文献中尚无报道，发明人测量了[C₄C₁im][HSO₄]和[C₄C₁im][MeSO₃]的Kamlet-Taft极性(如以下文献中所述：A.Brandt,J.P.Hallett,D.J.Leak,R.J.Murphy和T.Welton,Green Chemistry,2010,12,672-679)(表6)。使用三个参数来确定溶剂溶质相互作用的强度。参数α描述的是溶剂的氢键酸性，β描述的是氢键碱性，π*描述的是可极化性。发明人的测量显示，[C₄C₁im][HSO₄]的β参数与[C₄C₁im][MeSO₄]的值相同。氢键酸性非常不同，实际上，无法确定[C₄C₁im][HSO₄]的α值，因为其使一种染料探针质子化。

发明人愿意指出，在生物质未完全增溶的情况下获得了葡萄糖的高产率。其原因在于[C₄C₁im][MeSO₄]、[C₄C₁im][HSO₄]和[C₄C₁im][MeSO₃]的β值较低，不能使纤维素增溶。这些β参数低于[C₄C₁im][MeCO₂](β=1.20)、二甲基磷酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im][Me₂PO₄](β=1.12)和[C₄C₁im]Cl(β=0.83)的值¹⁹。虽然[C₂C₁im][MeCO₂]在无水时可以溶解纤维素，但20体积%的水的存在会阻止纤维素溶解。

表6：本工作中使用的选定的离子液体的Kamlet-Taft参数

发明人还尝试将葡萄糖产率与离子液体的氢键碱性关联起来。虽然已明确阴离子的性质影响糖化产率，但其不与离子液体的β值关联。

在此首次展示了离子液体[C₄C₁im][HSO₄]、[C₄C₁im][MeSO₃]和离子液体混合物[C₄C₁im][MeSO₄]/[HSO₄]可用于预处理木质纤维素生物质。这些离子液体在大量水的存在下有效地发挥了作用，由此消除了预处理过程中对无水条件的要求。市售的[C₂C₁im][MeO₂]在20体积%的水存在时也有效，但糖化产率较低。木质素和半纤维素在预处理过程中被增溶，留下纤维素高度富集的固体残余物。在使用含有80体积%离子液体的液剂在120℃下预处理后，芒草浆料的酶促糖化获得约90%的葡萄糖产率。半纤维素从固体中得到部分回收，其在酶促糖化过程中易于水解。但是，很大部分的半纤维素作为糖单体保留在预处理液剂中，并部分转化为脱水产物。在离子液体预处理过程中生成的糠醛的量因离子液体液剂的酸性而产生。在20体积%水的存在下，使用[C₄C₁im]Cl和[C₄C₁im][OTf]进行的处理对生物质几乎没有效果，这表明1,3-二烷基咪唑鎓离子液体的阴离子在确定离子液体预处理的有效性和对水的容忍度方面发挥着重要作用。未能发现预处理有效性与阴离子碱性之间有关联，正如之前对于纤维素溶解性或木片溶胀所发现的那样。虽然来自草和硬木浆料的酶促糖释放非常好，但来自软木浆料的产率却仅为中等水平。用水稀释时，可回收到沉淀物，所述沉淀物可能含有木质素和伪木质素。该研究还表明，诸如[C₄Him][HSO₄]等单烷基化咪唑鎓离子液体似乎可以成为二烷基咪唑鎓离子液体的有前途的工业相关替代物。

实施例25酸:碱比对产率的影响

为研究生物质预处理中单烷基化咪唑鎓的硫酸盐/硫酸氢盐离子液体的酸/碱性质的作用，制备具有[C₄Him]阳离子和不同比例的[HSO₄]/[SO₄]阴离子和/或H₂SO₄过量的一系列不同的离子液体。这些离子液体是通过将硫酸与1-丁基咪唑以不同比例添加到水中来合成的(表7)。

将H₂SO₄(95%)水溶液(3mL水/mL H₂SO₄)逐滴添加至1-丁基咪唑(98.4%)水溶液(1mL水/mL1-丁基咪唑)中。在室温下将该混合物搅拌数小时。

一旦反应完成，添加木炭使离子液体脱色，并通过中性氧化铝过滤。然后在50℃下加热48小时以除去水，并以高产率获得室温下为无色液体的纯净的离子液体。通过¹H-NMR、¹³C-NMR、质谱和元素分析确认了离子液体的结构和组成。所制备的离子液体中存在的[C₄Him]、[HSO₄]、[SO₄]和H₂SO₄的最终量显示在表8中。

表7–离子液体合成中所采用的H₂SO₄与1-丁基咪唑的比例

表8-存在于所制备的离子液体中的[C₄Him]、[HSO₄]、[SO₄]和H₂SO₄的量

如上所述改变C₄Him HSO₄系统中酸与碱的相对浓度。测量相对于未处理的芒草中的葡萄糖或半纤维素含量的糖化产率，并显示在图44和45中。

最佳结果在酸略微(1%)过量时获得(左起第五组柱)，其中最大葡萄糖产率和良好的半纤维素产率在4小时后便已获得。当例如水含量和温度等其他变量保持不变时，似乎添加少量酸即可显著加速预处理过程。过多的酸似乎会烧焦生物质，而过量的碱使半纤维素产率略有提高，但也会延长实现最大葡萄糖产率所需的时间。

实施例26木片研磨能量

将松木片(8片，尺寸：8×7×7mm，约1.3g)置于玻璃试管中的5mL预处理液中，并在烘箱中于加热到90℃并保持1小时或18小时。然后将木片冷却，并使用纸巾除去木片表面上多余的液体，然后在分析型研磨机中研磨30秒。利用功率分析仪确定研磨机的功耗。通过减去研磨机空转时所消耗的能量并比较研磨干木所用的能量来计算每克木材的节能率(表9，图49)。

表9：各种预处理方法相对于干木的木片研磨节能率

研磨之后，将样品浸在20mL适当的挥发性溶剂(除对硅油使用石油醚和对Fomblin使用全氟己烷之外，在所有其他情形中均为甲醇)中过夜。然后将其过滤，使用5mL溶剂冲洗两次，并静置风干至少24小时。对所获得的干粉进行重量检查，以查看是否存在大量残余的处理液。然后通过在震动筛振荡器上振荡8分钟来使粉末通过具有孔径递减(2mm～53μm)的多个筛的嵌套型柱。测量保留在每个筛上的材料的重量百分比，并由此数据计算出对数正态分布质量中值直径(D₅₀)，即50%的样品在质量上较小时的粒径(表10)。它在此用作木粉平均粒径的量度，并利用以下方程通过线性内插法计算。

D_{50} = 10^{[(\log x_{2} - \log x_{1}) \times (\frac{50 - y_{1}}{y_{2} - y_{1}}) + {\log x}_{1}]}

其中，x₁和x₂分别是使刚好低于和刚好高于50重量%的样品通过的筛的孔径，并且y₁和y₂是通过这些筛的材料的百分比。

表10：通过对以不同方式预处理的木片进行研磨而获得的木粉的中值粒径(D₅₀)

糖化

从每个样品的某一粒径部分中取150mg木粉。为进行比较，还制备了经预处理但未研磨的木片。将其添加至含有纤维素水解酶的缓冲溶液中，并在50℃下培养96小时。所使用的酶制剂是Celluclast(一种来自里氏木霉的纤维素酶混合物)和Novozyme188β-葡萄糖苷酶，后者因其半纤维素裂解活性而也可水解木聚糖。每种制剂使用60μL。之后，所存在的葡萄糖和半纤维素的量用HPLC来确定(表11，图50)。糖产率以每个样品干重的百分比给出。

表11：以样品干重的百分比给出的对以不同方式预处理的木片进行研磨得到的木粉经酶处理后的糖产率。

Claims

1.一种处理生物质以使其中的木质素溶解而不使纤维素溶解的方法，所述方法包括：

(a)使木质纤维素生物质与包含离子液体的组合物接触以产生纤维素浆料，其中所述离子液体包含阳离子和选自C_1-20烷基硫酸根[烷基SO₄]^-、C_1-20烷基磺酸根[烷基SO₃]^-、硫酸氢根[HSO₄]^-、亚硫酸氢根[HSO₃]^-、磷酸二氢根[H₂PO₄]^-、磷酸氢根[HPO₄]^2-和乙酸根[MeCO₂]的阴离子，前提是若所述阴离子为乙酸根，则所述组合物还包含10%～40%v/v的水。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述阳离子是质子阳离子。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述阴离子选自[MeSO₄]^-、乙酸根、[HSO₄]^-和[MeSO₃]^-。

4.如权利要求1～3中任一项所述的方法，其中，所述离子液体中的所述阳离子选自咪唑鎓衍生物、吡啶鎓衍生物或铵衍生物。

5.如权利要求1～4中任一项所述的方法，其中，所述阳离子选自1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im]⁺、1-乙基-3-甲基咪唑鎓[C₂C₁im]⁺、1-甲基咪唑鎓[C₁Him]⁺和1-丁基咪唑鎓[C₄Him]⁺。

6.如权利要求1～5中任一项所述的方法，其中，所述离子液体选自甲基硫酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im][MeSO₄]、硫酸氢1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im][HSO₄]、甲基磺酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[C₄C₁im][MeSO₃]、硫酸氢1-丁基咪唑鎓[C₄Him][HSO₄]和乙酸1-乙基-3-甲基咪唑鎓[C₂C₁im][MeCO₂]。

7.如权利要求1～6中任一项所述的方法，其中，所述组合物包含10%～40%v/v的水。

8.如权利要求1～7中任一项所述的方法，其中，所述离子液体还包含0.01%～20%v/v的酸。

9.如权利要求1～8中任一项所述的方法，其中，使所述木质纤维素生物质与所述组合物在100℃～160℃下接触。

10.如权利要求1～9中任一项所述的方法，其中，使所述木质纤维素生物质与所述组合物接触1小时～22小时。

11.如权利要求1～10中任一项所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

(b)从(a)中产生的所述浆料中分离出所述离子液体。

12.如权利要求1～11中任一项所述的方法，其中，在进行例如碾磨或研磨等机械加工之前使所述生物质与所述组合物接触。

13.如权利要求1～12中任一项所述的方法，其中，在进行例如碾磨或研磨等机械加工之后使所述生物质与所述组合物接触。

14.如权利要求1～13中任一项所述的方法，所述方法还包括用可与所述离子液体水混合物混溶的有机溶剂洗涤所述浆料的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

(c)将反溶剂添加到(b)中获得的离子液体中，以使溶解的木质素沉淀；和

(d)从所述反溶剂/离子液体中分离出沉淀出的固体。

16.如权利要求15所述的方法，所述方法还包括以下步骤：

(e)从(d)中获得的离子液体中除去所述反溶剂。

17.如权利要求15或16所述的方法，其中，所述反溶剂是水。

18.用权利要求15～17中任一项所述的方法获得的纯化的木质素。

19.一种由木质纤维素生物质制备葡萄糖的方法，所述方法包括对能够用权利要求1～14中任一项所述的方法获得的纤维素浆料进行酶促水解。

20.用权利要求19所述的方法获得的葡萄糖。