CN104603154A - 用于处理生物质基质的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于对生物质进行处理的系统和方法，所述系统和方法包括将生物质与离子液体(IL)混合以使所述生物质溶胀以及对所述生物质进行电磁(EM)加热，优选地射频(RF)加热或红外(IR)加热。另外，提供了一种使生物质酸解的方法，所述方法包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；添加酸以使所述生物质的pH值降低到低于pH7；对所述生物质施加射频(RF)加热或红外(IR)加热以加热到目标温度范围；对所述生物质施加超声波加热、电磁(EM)加热、对流加热、传导加热或其组合以将所述生物质维持在目标温度范围；洗涤所述经过处理的生物质；以及回收糖并且释放木质素。

Description

用于处理生物质基质的方法和设备
相关专利申请的交叉引用
本国际专利申请要求2012年6月22日提交的美国临时专利申请号61/663,315和2013年3月15日提交的美国临时专利申请号61/788,051的优先权，这两件美国临时专利申请均以引用的方式整体并入本文。
发明领域
本发明涉及对生物质或它的组分的处理，所述处理包括将所述生物质与离子液体(IL)混合以及使用电磁能(EM)(例如，射频(RF)、红外(IR))加热对所述混合物进行处理以使其转化成可再生的燃料、化学品、材料、可再生的燃料、乙醇、丁醇、乳酸、汽油、生物柴油、喷气燃料、甲烷、氢气、塑料、复合材料、蛋白质、药物、肥料以及其它有附加价值的产品。本发明涉及方法和系统，所述方法和系统利用电磁能(EM)加热，任选地与酸(酸解)组合对生物质/离子液体(IL)浆料、溶液以及悬浮液进行处理，以使所述生物质和衍生产物有效且容易转化成可再生的燃料、化学品、材料、可再生的燃料、乙醇、丁醇、乳酸、汽油、生物柴油、喷气燃料、甲烷、氢气、塑料、复合材料、蛋白质、药物、肥料以及其它有附加价值的产品以及生产电力。本发明还涉及电磁能(EM)(例如，射频(RF)、红外(IR))加热用于使离子液体脱水的用途。本发明还涉及生物反应器，所述生物反应器包括反应器皿，所述反应器皿与传感器网络和反馈系统连接以对时间、温度、压力以及IL饱和度进行控制。
发明背景
在过去的三十年中已经进行研究以使生物质转化成运输燃料。在二十世纪九十年代进行的研究的主要目的在于开发可以将纤维素水解成糖的酶。这种对纯纤维素进行的酶促水解是一种缓慢的，但公认的方法。然而，生物质并非高效地产生纯纤维素。需要某种形式的预处理以使生物质易于进行高效的酶促水解。尽管存在预处理技术，但这些预处理技术中没有一种适合于由生物质经济地生产出燃料和化学品。Brodeur等,(2011)Enzyme Research,文章编号787532,17页。
木质纤维素是植物的主要结构组分并且包含纤维素、半纤维素以及木质素。在木质纤维素生物质中，结晶纤维素原纤嵌入到组织不那么严密的半纤维素基质中，所述半纤维素基质进而由外部木质素密封结构所围绕。木质纤维素生物质是一种吸引人的原料，这是因为它是一种可以被转化成液体运输燃料、化学品以及聚合物的丰富的国内可再生资源。木质纤维素的主要成分是：(1)半纤维素(20％-30％)，所述半纤维素是五碳糖和六碳糖的无定形聚合物；(2)木质素(5％-30％)，所述木质素是酚类化合物的高度交联的聚合物；以及(3)纤维素(30％-40％)，所述纤维素是纤维二糖(葡萄糖二聚体)的高度结晶聚合物。纤维素和半纤维素在被水解成它们的单糖时可以经由公认的发酵技术转化成乙醇燃料。这些糖还形成用于生产多种化学品和聚合物的原料。还可以将木质素回收用于生产多种化学品或用作燃料。生物质的复杂结构需要适当的处理以使得纤维素和半纤维素组分能够高效水解(例如，糖化)成它们的构成糖。现行的处理方法受纤维素水解(例如，使用酶纤维素酶)的反应速率慢以及糖产率低所困扰。Wyman等,(2005)Bioresource Technology 96:1959-1966。
使木质纤维素生物质与水解酶接触一般会产生比预测结果低20％的纤维素水解产率。因此，在试图使生物质中的纤维素和半纤维素进行酶促水解之前常常对生物质进行某种“预处理”。预处理指的是使木质纤维素生物质从它的天然形式(其中它难以被纤维素酶系统分解)转化成可有效进行纤维素水解的形式的过程。与未处理的生物质相比，经过有效预处理的木质纤维素材料的特征在于纤维素酶可达到的表面积(孔隙度)增加以及木质素溶解或重新分布。孔隙度增加主要起因于纤维素结晶度的破坏、半纤维素破坏/溶解以及木质素重新分布和/或溶解的组合。在现有的不同预处理方法当中，在实现这些因素中的至少一些因素的相对有效性相差很大。这些包括稀酸、蒸汽爆破、热液处理、牵涉到水性介质中的有机溶剂的“有机溶剂(organosolv)”方法、氨纤维爆破(AFEX)、使用碱(例如，氨、NaOH或石灰)进行的强碱处理以及高度浓缩的磷酸处理。这些方法中有许多方法并未破坏纤维素结晶度，这一属性对于实现快速的纤维素消化是不可缺少的。此外，这些方法中的一些方法并不适用于对在预处理中使用的化学品进行高效的回收。
离子液体预处理技术有效地破坏难分解的生物质以使其随后转化成有附加价值的产品。Anantharam等,(2006)“Enhancement of cellulose saccharification kinetics using an ionic liquid pretreatment step.”Biotechnol.and Bioengg.95(5):904-910；Anantharam等,(2007)“Mitigation of cellulose recalcitrance to Enzymatic hydrolysis by ionic liquid pretreatment.”Applied Biotechnol.and Bioengg 136-140:407-421；Wang等,(2012)“Ionic Liquid Processing of Cellulose.”Ch emical Society Reviews 41:1519-1537；美国专利号7,674,608；以及美国专利号8,030,030。
对于商业上的可行性，应当以高固体装载量(>20％w/w)对生物质进行预处理以使得反应器的大小和工艺效用成本减到最低程度。然而，在经由带夹套的罐或其它受热表面进行工艺加热时，不传导/绝缘的特征构成了显著的热传递和质量传递的限制。因此，在这些工艺中，在进料浓度>20％(w/w)下，热不能均匀地穿透并且浆料变得稠厚、具有粘性并且不均匀地湿润。Viamajala等,Heat and MassTransport in Processing of Lignocellulosic Biomass for Fuels andChemicals,Sustainable Biootechnology.Sources of Renewable Energy,O.V.Singh和S.P.Harvey编著,2010,Springer:London,New York。这在克服反应器中使得不能有效地对原料进行处理的任何局部加热区或大的热梯度方面提出了操作上的挑战。
因此，在本领域中需要处理生物质(例如，木质纤维素生物质)以使它准备好在高的固体装载量和大规模下进行水解以使反应器大小和效用成本减到最低程度的方法和系统。
发明概述
本发明提供了一种用于对生物质进行处理的方法，所述方法包括将生物质与离子液体(IL)混合以使所述生物质溶胀以及对所述生物质进行电磁(EM)加热，优选地射频(RF)加热和/或红外(IR)加热。
本发明提供了一种用于对生物质进行处理的方法，所述方法包括将生物质与离子液体(IL)混合以形成生物质/IL浆料，以及对所述生物质/IL浆料进行电磁(EM)加热，优选地射频(RF)加热和/或红外(IR)加热。
在另一个实施方案中，一种用于破坏木质纤维素生物质的结构的方法可以包括将生物质在离子液体(IL)中孵育以及施加射频(RF)加热和超声波、红外(IR)加热、电磁(EM)加热、对流加热、传导加热或其组合。
在另一个实施方案中，一种用于使生物质的碳水化合物转化成糖的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；对所述生物质/IL浆料施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质/IL浆料施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述浆料维持在所述目标温度范围；洗涤所述经过处理的生物质；使所述经过处理的生物质水解，产生糖，任选地戊糖和己糖，并且释放蛋白质和木质素。
在另一个实施方案中，一种用于使生物质的碳水化合物转化成糖的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；对所述生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；洗涤所述经过处理的生物质；使所述经过处理的生物质水解，产生糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
在另一个实施方案中，一种用于使纤维素转化成糖的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；对所述生物质/IL浆料施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质/IL浆料施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述浆料维持在所述目标温度范围；通过与反溶剂混合使无定形纤维素和/或结晶度降低的纤维素沉淀；以及在促进纤维素水解成糖的条件下将纤维素酶添加到所述纤维素沉淀物中。
在另一个实施方案中，一种用于对生物质进行处理的方法可以包括：在足够的时间内和足够的温度下将生物质在足量的离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀，任选地没有使所述生物质在所述IL中溶解；对所述生物质/IL浆料施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质/IL浆料施加超声波加热以将所述浆料维持在所述目标温度范围；使用可与水和所述IL混溶的纤维素的液体非溶剂对所述经过处理的生物质进行洗涤；以及使所述经过处理且洗涤过的生物质与包含酶的水性缓冲液接触，所述酶能够使纤维素和半纤维素水解产生糖，任选地己糖和戊糖。
在另一个实施方案中，一种使生物质酸解的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述浆料的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；对所述生物质/IL浆料施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质/IL浆料施加超声波加热、电磁(EM)加热、对流加热、传导加热或其组合以将所述浆料维持在所述目标温度范围；任选地洗涤所述经过处理的生物质；以及回收糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
在另一个实施方案中，一种用于使纤维素转化成糖的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；对所述生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；通过与反溶剂混合使无定形纤维素和/或结晶度降低的纤维素沉淀；以及在促进纤维素水解成糖的条件下将纤维素酶添加到所述纤维素沉淀物中。
在另一个实施方案中，一种用于对生物质进行处理的方法可以包括：在足够的时间内和足够的温度下将生物质在足量的离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀而没有使所述生物质在所述IL中溶解；对所述被IL溶胀的生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述被IL溶胀的生物质施加超声波加热以将所述被IL溶胀的生物质维持在所述目标温度范围；使用可与水和所述IL混溶的纤维素的液体非溶剂对所述经过处理的生物质进行洗涤；以及使所述经过处理且洗涤过的生物质与包含酶的水性缓冲液接触，所述酶能够使纤维素和半纤维素水解产生糖，任选地己糖和戊糖。
在另一个实施方案中，一种用于使生物质的碳水化合物转化成糖的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；对所述生物质/IL浆料施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质/IL浆料施加超声波、射频(RF)加热、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述浆料维持在所述目标温度范围；洗涤所述经过处理的生物质；使所述经过处理的生物质水解，产生糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
在另一个实施方案中，一种用于使生物质的碳水化合物转化成糖的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；对所述生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质施加超声波、射频(RF)、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；洗涤所述经过处理的生物质；使所述经过处理的生物质水解，产生糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
在另一个实施方案中，一种用于使纤维素转化成糖的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；对所述生物质/IL浆料施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质/IL浆料施加超声波、射频(RF)加热、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述浆料维持在所述目标温度范围；通过与反溶剂混合使无定形纤维素和/或结晶度降低的纤维素沉淀；以及在促进纤维素水解成糖的条件下将纤维素酶添加到所述纤维素沉淀物中。
在另一个实施方案中，一种用于对生物质进行处理的方法可以包括：在足够的时间内和足够的温度下将生物质在足量的离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀，任选地没有使所述生物质在所述IL中溶解；对所述生物质/IL浆料施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质/IL浆料施加超声波加热以将所述浆料维持在所述目标温度范围；使用可与水和所述IL混溶的纤维素的液体非溶剂对所述经过处理的生物质进行洗涤；以及使所述经过处理且洗涤过的生物质与包含酶的水性缓冲液接触，所述酶能够使纤维素和半纤维素水解产生糖，任选地己糖和戊糖。
在另一个实施方案中，一种使生物质酸解的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述浆料的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；对所述生物质/IL浆料施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质/IL浆料施加超声波加热、射频(RF)加热、电磁(EM)加热、对流加热、传导加热或其组合以将所述浆料维持在所述目标温度范围；任选地洗涤所述经过处理的生物质；以及回收糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
在另一个实施方案中，一种用于使纤维素转化成糖的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；对所述生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述生物质施加超声波、射频(RF)加热、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；通过与反溶剂混合使无定形纤维素和/或结晶度降低的纤维素沉淀；以及在促进纤维素水解成糖的条件下将纤维素酶添加到所述纤维素沉淀物中。
在另一个实施方案中，一种用于对生物质进行处理的方法可以包括：在足够的时间内和足够的温度下将生物质在足量的离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀而没有使所述生物质在所述IL中溶解；对所述被IL溶胀的生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述被IL溶胀的生物质施加超声波加热以将所述被IL溶胀的生物质维持在所述目标温度范围；使用可与水和所述IL混溶的纤维素的液体非溶剂对所述经过处理的生物质进行洗涤；以及使所述经过处理且洗涤过的生物质与包含酶的水性缓冲液接触，所述酶能够使纤维素和半纤维素水解产生糖，任选地己糖和戊糖。
在另一个实施方案中，一种使生物质酸解的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀但没有溶解；添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述生物质的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；对所述被IL溶胀的生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述被IL溶胀的生物质施加超声波加热、电磁(EM)加热、对流加热、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；任选地洗涤所述经过处理的生物质；以及回收糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
在另一个实施方案中，一种使生物质酸解的方法可以包括：将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀但没有溶解；添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述生物质的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；对所述被IL溶胀的生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；对所述被IL溶胀的生物质施加超声波加热、射频(RF)加热、电磁(EM)加热、对流加热、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；任选地洗涤所述经过处理的生物质；以及回收糖，任选地戊糖和己糖，以及释放的蛋白质和木质素。
在另一个实施方案中，所述方法可以进一步包括添加碱，任选地NaOH或KOH以中和所述生物质/IL浆料的pH值。
在另一个实施方案中，所述方法可以进一步包括添加碱，任选地NaOH或KOH以中和所述被IL溶胀的生物质的pH值。
在另一个实施方案中，所述pH值可以是约1、2、3、3.5、4、4.5、5、5.5、5.8、6、6.5或6.8、1-3、2-4、3-5、2-6、3.5-4.5或4-6。
在另一个实施方案中，所述生物质可以是农业残余物，任选地玉米秸、小麦秸、甘蔗渣、稻壳或稻秸；木材和森林残余物，任选地松树、白杨、花旗松、橡树、锯末、纸/纸浆废液或木纤维；藻类，任选地红藻；野葛；煤；纤维素、木质素、草本能源作物，任选地柳枝稷、草芦或芒属植物；木质纤维素生物质，任选地包含木质素、纤维素以及半纤维素；植物生物质；或其混合物。
在另一个实施方案中，所述加热可以包括至少两个阶段，第一个阶段包括施加电磁(EM)加热，任选地电磁波谱中的变频、变频加热、红外(IR)加热、射频(RF)加热或其组合，并且第二个阶段包括施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合。
在另一个实施方案中，射频加热的施加可以持续约至少5-10秒、1-30分钟、5-30分钟或20-240分钟。
在另一个实施方案中，红外(IR)加热的施加可以持续约至少5-10秒、1-30分钟、5-30分钟或20-240分钟。在另一个实施方案中，红外(IR)加热的施加可以持续约至少10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、125、130或135分钟。
在另一个实施方案中，超声波、电磁(EM)、对流、传导加热、红外(IR)加热或其组合的施加可以持续约至少3-30分钟、5-30分钟、15-30分钟、30-150分钟或3-4小时。
在另一个实施方案中，所述方法可以进一步包括洗涤所述经过处理的生物质。在又另一个实施方案中，所述洗涤可以包括使用可与水和所述离子液体(IL)混溶的纤维素的液体非溶剂对所述生物质进行洗涤。在另一个实施方案中，用于洗涤的所述液体非溶剂可以是水、醇、乙腈或溶解所述IL的溶剂。在又另一个实施方案中，可以将所述洗涤液回收并且用RF加热处理以使所述离子液体脱水。
在又另一个实施方案中，所述离子液体(IL)可以是1-正丁基-3-甲基氯化咪唑鎓、1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑鎓、3-甲基-N-丁基氯化吡啶鎓、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑丙酸盐或其组合。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：与离子液体混合；通过射频加热，任选地重复上述操作；洗涤所述生物质，任选地回收所述IL；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述离子液体和酶回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热到至少约100℃、105℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃或约130℃-150℃之间。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热至少约10、15、20、30、40、50、60、100、110、120、150或180分钟。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热至少约5-30分钟。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：与离子液体混合；通过射频辐射加热以达到目标温度范围，任选地重复上述操作；使用超声波(例如，具有约15kHz至40kHz或20kHz的高频和约0.0001mm-0.025mm的低振幅的声波)、EM、对流、传导加热或其组合维持所述生物质的温度，任选地重复上述操作；洗涤所述生物质，任选地回收所述IL并且通过施加射频加热使所述IL脱水；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述酶回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热到至少约130℃、140℃、150℃或约130℃-150℃之间。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热至少约10、20、30、40、50、60、120或180分钟。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：与离子液体混合；通过射频辐射加热以达到目标温度范围，任选地重复上述操作；使用超声波(例如，具有约15kHz至40kHz或20kHz的高频和约0.0001mm-0.025mm的低振幅的声波)、EM、对流、传导加热或其组合维持所述生物质的温度，任选地重复上述操作；洗涤所述生物质，任选地回收所述IL并且通过施加射频加热使所述IL脱水；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述酶回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热到至少约130℃、140℃、150℃或约130℃-150℃之间。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热至少约10、20、30、40、50、60、120或180分钟。
在另一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：与离子液体混合；将所述生物质溶解在所述离子液体中；通过射频加热，任选地重复上述操作；使用反溶剂，任选地水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物使所述生物质再生，任选地回收所述IL，任选地洗涤所述生物质；回收所述生物质；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述离子液体和酶回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热到至少约130℃、140℃、150℃或约130℃-150℃之间。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热至少约10、20、30、40、50、60、120或180分钟，任选地约5-30分钟。
在另一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：与离子液体混合；将所述生物质溶解在所述离子液体中；通过射频辐射加热以达到目标温度范围，任选地重复上述操作；使用超声波(例如，具有约15kHz至40kHz或20kHz的高频和约0.0001mm-0.025mm的低振幅的声波)、电磁辐射(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合维持所述混合物的温度，任选地重复上述操作；通过添加反溶剂，任选地水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物使所述生物质再生，任选地洗涤所述再生的生物质，任选地回收所述IL并且通过施加射频加热使所述IL脱水；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述酶回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热到至少约130℃、140℃、150℃或约130℃-150℃之间。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热至少约10、20、30、40、50、60、120或180分钟，任选地约5-30分钟。
在一个实施方案中，本发明提供了一种用于处理生物质的方法，所述方法包括：将生物质与离子液体(IL)混合以形成生物质/IL浆料，以及对所述生物质/IL浆料进行电磁加热，任选地使用电磁波谱中的变频进行电磁加热，任选地进行射频加热，任选地变频加热。在一个实施方案中，所述生物质可以是农业残余物，任选地玉米秸、小麦秸、甘蔗渣、稻壳或稻秸；木材和森林残余物，任选地松树、白杨、花旗松、橡树、锯末、纸/纸浆废液或木纤维；藻类，任选地红藻；野葛；煤；纤维素、木质素、草本能源作物，任选地柳枝稷、草芦或芒属植物；木质纤维素生物质，任选地可以包含木质素、纤维素以及半纤维素；植物生物质；或其混合物。
在一个实施方案中，本发明提供了一种用于处理生物质的方法，所述方法包括：将生物质与离子液体(IL)混合以使所述生物质溶胀而没有使所述生物质在所述IL中溶解，以及对所述生物质进行电磁加热，任选地使用电磁波谱中的变频进行电磁加热，任选地进行射频加热，任选地变频加热。在一个实施方案中，所述生物质可以是农业残余物，任选地玉米秸、小麦秸、甘蔗渣、稻壳或稻秸；木材和森林残余物，任选地松树、白杨、花旗松、橡树、锯末、纸/纸浆废液或木纤维；藻类，任选地红藻；野葛；煤；纤维素、木质素、草本能源作物，任选地柳枝稷、草芦或芒属植物；木质纤维素生物质，任选地可以包含木质素、纤维素以及半纤维素；植物生物质；或其混合物。
在另一个实施方案中，所述加热可以包括至少两个阶段，第一个阶段可以包括施加射频(RF)加热并且第二个阶段可以包括施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合。在另一个实施方案中，射频加热的施加可以持续约至少5-10秒、1-30分钟、5-30分钟或20-240分钟。在另一个实施方案中，超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合的施加可以持续约至少3-30分钟、5-30分钟或3-4小时。在另一个实施方案中，可以100-1000W、1KW-10KW或5KW-1MW的功率施加电磁能。在另一个实施方案中，所述射频可以包含约1-900MHz、300kHz-3MHz、3-30MHz、30-300MHz、13、13.56、27、27.12、40或40.68MHz的频率。在另一个实施方案中，所述射频可以穿透所述生物质达约0.001至2.0米的厚度。在另一个实施方案中，可以将所述生物质加热到至少约1℃-300℃、50℃-100℃、60℃-130℃、80℃-175℃或100℃-240℃的温度。在另一个实施方案中，可以用射频将所述生物质处理至少约1分钟至100小时、1-60分钟、1-24小时、5-10分钟、5-30分钟、10-50分钟、5分钟至3小时、1-3小时、2-4小时、3-6小时或4-8小时。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：与离子液体混合；通过红外(IR)加热进行加热以达到目标温度范围，优选地至少约100℃-125℃，任选地重复上述操作；使用超声波(例如,具有约15kHz至40kHz或20kHz的高频和约0.0001mm-0.025mm的低振幅的声波)、EM、射频(RF)加热、对流、传导加热或其组合维持所述生物质的温度，任选地重复上述操作；洗涤所述生物质，任选地回收所述IL并且通过施加红外(IR)加热使所述IL脱水；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述酶回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热到至少约100℃、125℃、130℃、140℃、150℃或约100℃-125℃之间。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热至少约10、20、30、40、50、60、120、150或180分钟。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：与离子液体混合；通过红外(IR)辐射加热以达到目标温度范围，任选地重复上述操作；使用超声波(例如，具有约15kHz至40kHz或20kHz的高频和约0.0001mm-0.025mm的低振幅的声波)、EM、射频(RF)加热、对流、传导加热或其组合维持所述生物质的温度，任选地重复上述操作；洗涤所述生物质，任选地回收所述IL并且通过施加红外(IR)加热使所述IL脱水；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述酶回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热到至少约100℃、120℃、125℃、130℃、140℃、150℃或约100℃-150℃之间。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热至少约10、20、30、40、50、60、100、120、150或180分钟。
在另一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：与离子液体混合；将所述生物质溶解在所述离子液体中；通过红外(IR)加热进行加热，任选地重复上述操作；使用反溶剂，任选地水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物使所述生物质再生，任选地回收所述IL，任选地洗涤所述生物质；回收所述生物质；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述离子液体和酶回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热到至少约100℃、120℃、125℃、130℃、140℃、150℃或约100℃-150℃之间。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热至少约10、20、30、40、50、60、90、100、120、150或180分钟，任选地约5-30分钟。
在另一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：与离子液体混合；将所述生物质溶解在所述离子液体中；通过红外(IR)加热进行加热以达到目标温度范围，任选地重复上述操作；使用超声波(例如，具有约15kHz至40kHz或20kHz的高频和约0.0001mm-0.025mm的低振幅的声波)、电磁辐射(EM)(例如，射频(RF))、对流、传导加热或其组合维持所述混合物的温度，任选地重复上述操作；通过添加反溶剂，任选地水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物使所述生物质再生，任选地洗涤所述再生的生物质，任选地回收所述IL并且通过施加红外(IR)加热使所述IL脱水；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述酶回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热到至少约100℃、120℃、125℃、130℃、140℃、150℃或约100℃-150℃之间。在另一个实施方案中，可以将所述生物质混合物加热至少约10、20、30、40、50、60、100、110、120、150或180分钟，任选地约5-30分钟。
在一个实施方案中，本发明提供了一种用于处理生物质的方法，所述方法包括：将生物质与离子液体(IL)混合以形成生物质/IL浆料，以及对所述生物质/IL浆料进行电磁加热，任选地使用电磁波谱中的变频进行电磁加热，任选地进行射频加热或红外(IR)加热，任选地变频加热。在一个实施方案中，所述生物质可以是农业残余物，任选地玉米秸、小麦秸、甘蔗渣、稻壳或稻秸；木材和森林残余物，任选地松树、白杨、花旗松、橡树、锯末、纸/纸浆废液或木纤维；藻类，任选地红藻；野葛；煤；纤维素、木质素、草本能源作物，任选地柳枝稷、草芦或芒属植物；木质纤维素生物质，任选地可以包含木质素、纤维素以及半纤维素；植物生物质；或其混合物。
在一个实施方案中，本发明提供了一种用于处理生物质的方法，所述方法包括：将生物质与离子液体(IL)混合以使所述生物质溶胀而没有使所述生物质在所述IL中溶解，以及对所述生物质进行电磁加热，任选地使用电磁波谱中的变频进行电磁加热，任选地进行红外(IR)加热。在一个实施方案中，所述生物质可以是农业残余物，任选地玉米秸、小麦秸、甘蔗渣、稻壳或稻秸；木材和森林残余物，任选地松树、白杨、花旗松、橡树、锯末、纸/纸浆废液或木纤维；藻类，任选地红藻；野葛；煤；纤维素、木质素、草本能源作物，任选地柳枝稷、草芦或芒属植物；木质纤维素生物质，任选地可以包含木质素、纤维素以及半纤维素；植物生物质；或其混合物。
在另一个实施方案中，所述加热可以包括至少两个阶段，第一个阶段可以包括施加红外(IR)加热并且第二个阶段可以包括施加超声波、电磁(EM)、射频(RF)加热、对流加热、传导加热或其组合。在另一个实施方案中，红外(IR)加热的施加可以持续约至少5-10秒、1-30分钟、5-30分钟、15-150分钟或20-240分钟。在另一个实施方案中，超声波、电磁(EM)、射频(RF)加热、对流加热传导加热或其组合的施加可以持续约至少3-30分钟、5-30分钟或3-4小时。在另一个实施方案中，可以100-1000W、1KW-10KW或5KW-1MW的功率施加电磁能。在另一个实施方案中，所述射频可以包含约1-900MHz、300kHz-3MHz、3-30MHz、30-300MHz、13、13.56、27、27.12、40或40.68MHz的频率。在另一个实施方案中，所述红外(IR)加热可以穿透所述生物质达约0.001至2.0米的厚度。在另一个实施方案中，可以将所述生物质加热到至少约1℃-300℃、50℃-100℃、60℃-130℃、80℃-175℃或100℃-240℃的温度。在另一个实施方案中，可以用红外(IR)加热将所述生物质处理至少约1分钟至100小时、1-60分钟、1-24小时、5-10分钟、5-30分钟、10-50分钟、5分钟至3小时、1-3小时、2-4小时、3-6小时或4-8小时。
在一个实施方案中，所述方法可以进一步包括洗涤所述经过处理的生物质。在另一个实施方案中，所述洗涤可以包括使用可与水和所述离子液体(IL)混溶的纤维素的液体非溶剂对所述生物质进行洗涤。在另一个实施方案中，用于洗涤的所述液体非溶剂可以是水、醇、乙腈或溶解所述IL并且因此可以从生物质提取所述IL的溶剂。在另一个实施方案中，所述醇可以是乙醇、甲醇、丁醇、丙醇或其混合物。
在一个实施方案中，可以通过选自以下的方法从所述液体非溶剂中回收所述离子液体：活性炭处理、蒸馏、膜分离、电化学分离技术、固相萃取、液-液萃取或其组合中的一种或多种。在另一个实施方案中，可以通过施加使所述离子液体脱水的电磁加热，任选地射频加热或红外(IR)加热以从所述液体非溶剂中回收所述离子液体。在另一个实施方案中，所述方法可以包括重新使用所述回收的IL以对更多的生物质进行处理的另外的步骤，任选地其中可以回收至少90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的IL。在另一个实施方案中，所述离子液体可以具有不超过以下的水含量：约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或25％。
在一个实施方案中，所述方法包括将所述生物质在足量的离子液体(IL)中孵育足够的时间以使所述生物质溶胀。
在一个实施方案中，可以对所述生物质在搅拌下进行另外的加热、超声波加热、电磁(EM)加热、射频(RF)加热、红外(IR)加热、对流加热、传导加热、微波辐射或其组合，任选地在加热期间进行间歇搅拌。在一个实施方案中，所述另外的加热可以与第一类型的加热同时或依序施加。
在一个实施方案中，所述离子液体可以在约10℃至160℃范围内的温度下熔融并且包含阳离子或阴离子。在另一个实施方案中，所述离子液体可以包含阳离子结构，包括铵、锍、鏻、锂、咪唑鎓、吡啶鎓、甲基吡啶鎓、吡咯烷鎓、噻唑鎓、三唑鎓、噁唑鎓或其组合。在另一个实施方案中，所述离子液体可以包含选自以下的阳离子：咪唑鎓、吡咯烷鎓、吡啶鎓、鏻、铵或其组合。在另一个实施方案中，所述离子液体(IL)可以是1-正丁基-3-甲基氯化咪唑鎓、1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑鎓、3-甲基-N-丁基氯化吡啶鎓、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑丙酸盐或其组合。
在一个实施方案中，所述方法可以是一种连续工艺。在另一个实施方案中，所述方法可以是一种分批工艺。
在一个实施方案中，可以借助于传感器，任选地液体流速传感器、热电偶传感器、温度传感器、盐度传感器或其组合对所述生物质经受射频(RF)加热的条件进行监测。在另一个实施方案中，所述方法可以包括调节离子液体的量、孵育时间或生物质的温度。
在一个实施方案中，可以借助于传感器，任选地液体流速传感器、热电偶传感器、温度传感器、盐度传感器或其组合对所述生物质经受红外(IR)加热的条件进行监测。在另一个实施方案中，所述方法可以包括调节离子液体的量、孵育时间或生物质的温度。
在一个实施方案中，可以不使所述生物质在所述离子液体中溶解。在另一个实施方案中，可以不使所述生物质基本上在所述离子液体中溶解。
在一个实施方案中，可以使所述生物质在所述离子液体中溶解。在另一个实施方案中，可以使所述生物质基本上在所述离子液体中溶解。在另一个实施方案中，可以通过使用反溶剂使溶解的生物质，任选地纤维素或半纤维素再生。在另一个实施方案中，所述反溶剂可以是水、甲醇、乙醇、乙酸酯或其混合物。
在一个实施方案中，所述方法可以进一步包括使用生化试剂，任选地酶对所述经过处理的生物质进行处理，以将纤维素和半纤维素转化成糖，任选地己糖和戊糖。在另一个实施方案中，所述用于转化纤维素和半纤维素的生化试剂可以是酶，任选地半纤维素酶、纤维素酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶以及1-β-葡糖苷酶的酶混合物。在另一个实施方案中，所述纤维素酶可以是纤维二糖水解酶、内切纤维素酶、外切纤维素酶、纤维二糖酶、内切-β-1,4-葡聚糖酶、β-1,4-葡聚糖酶或其混合物。
在另一个实施方案中，所述半纤维素酶可以是昆布多糖酶、地衣多糖酶、木聚糖酶或其混合物。在另一个实施方案中，所述酶混合物可以进一步包含木聚糖酶、阿拉伯聚糖酶或其混合物。在另一个实施方案中，所述生化试剂是嗜热性酶，任选地在高达约70℃下具有活性的酶。在另一个实施方案中，可以将所述生物质加热到至少约50℃-100℃、40℃、55℃或70℃。
在另一个实施方案中，可以将所述糖转化成可再生的燃料、化学品和材料，任选地乙醇、丁醇、乳酸、汽油、生物柴油、甲烷、氢气、电力、塑料、复合材料、蛋白质、药物、肥料或它们的其它组分。在另一个实施方案中，所述化学品可以是丁二酸、甘油、3-羟基丙酸、2,5-二甲基呋喃(DMF)、5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛、2,5-呋喃二甲酸、衣康酸、乙酰丙酸、醛、醇、胺、对苯二甲酸、己二胺、异戊二烯、聚羟基烷酸酯、1,3-丙二醇或其混合物。
在一个实施方案中，所述方法可以进一步包括回收所述酶。
在一个实施方案中，所述处理产生固体残余物，所述固体残余物可以包含蛋白质和木质素。在另一个实施方案中，可以将所述木质素转化成燃料、化学品、聚合物或其混合物。
在一个实施方案中，所述方法进一步包括使用化学试剂对所述经过处理的生物质进行处理，以将纤维素和半纤维素转化成糖，任选地己糖和戊糖。在另一个实施方案中，可以将所述糖转化成化学品，任选地丁二酸、甘油、3-羟基丙酸、2,5-二甲基呋喃(DMF)、5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛、2,5-呋喃二甲酸、衣康酸、乙酰丙酸、醛、醇、胺、对苯二甲酸、己二胺、异戊二烯、聚羟基烷酸酯、1,3-丙二醇或其混合物。
在另一个实施方案中，一种用于破坏木质纤维素生物质的结构的方法可以包括将生物质在离子液体(IL)中孵育以及施加射频(RF)加热、红外(IR)加热、超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合。
在另一个实施方案中，一种用于使生物质的碳水化合物转化成糖的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；(b)对所述生物质/IL浆料施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述生物质/IL浆料施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述浆料维持在所述目标温度范围；(d)洗涤所述经过处理的生物质；(e)使所述经过处理的生物质水解，产生糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
在另一个实施方案中，一种用于使纤维素转化成糖的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；(b)对所述生物质/IL浆料施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述生物质/IL浆料施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述浆料维持在所述目标温度范围；(d)通过与反溶剂混合使无定形纤维素和/或结晶度降低的纤维素沉淀；以及(e)在促进纤维素水解成糖的条件下将纤维素酶添加到所述纤维素沉淀物中。在另一个实施方案中，所述加热可以是电磁加热、通过使用电磁波谱中的变频进行的加热、变频加热或其组合。
在另一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：(a)在足够的时间内和足够的温度下将生物质在足量的离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀而没有使所述生物质在所述IL中溶解；(b)对所述生物质/IL浆料施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述生物质/IL浆料施加超声波加热以将所述浆料维持在所述目标温度范围；(d)使用可以与水和所述IL混溶的纤维素的液体非溶剂对所述经过处理的生物质进行洗涤；以及(e)使所述经过处理且洗涤过的生物质与包含酶的水性缓冲液接触，所述酶能够使纤维素和半纤维素水解，产生糖，任选地己糖和戊糖。在另一个实施方案中，所述加热可以是电磁加热、通过使用电磁波谱中的变频进行的加热、变频加热或其组合。
在另一个实施方案中，一种用于使生物质的碳水化合物转化成糖的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；(b)对所述生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述生物质施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；(d)洗涤所述经过处理的生物质；(e)使所述经过处理的生物质水解，产生糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
在另一个实施方案中，一种用于使纤维素转化成糖的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；(b)对所述生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述被IL溶胀的生物质施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；(d)通过与反溶剂混合使无定形纤维素和/或结晶度降低的纤维素沉淀；以及(e)在促进纤维素水解成糖的条件下将纤维素酶添加到所述纤维素沉淀物中。在另一个实施方案中，所述加热可以是电磁加热、通过使用电磁波谱中的变频进行的加热、变频加热或其组合。
在另一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：(a)在足够的时间内和足够的温度下将生物质在足量的离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀而没有使所述生物质在所述IL中溶解；(b)对所述生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述生物质施加超声波加热以将所述生物质维持在所述目标温度范围；(d)使用可以与水和所述IL混溶的纤维素的液体非溶剂对所述经过处理的生物质进行洗涤；以及(e)使所述经过处理且洗涤过的生物质与包含酶的水性缓冲液接触，所述酶能够使纤维素和半纤维素水解，产生糖，任选地己糖和戊糖。在另一个实施方案中，所述加热可以是电磁加热、通过使用电磁波谱中的变频进行的加热、变频加热或其组合。
在另一个实施方案中，一种用于使生物质的碳水化合物转化成糖的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；(b)对所述生物质/IL浆料施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述生物质/IL浆料施加超声波、电磁(EM)、射频(RF)加热、对流加热、传导加热或其组合以将所述浆料维持在所述目标温度范围；(d)洗涤所述经过处理的生物质；(e)使所述经过处理的生物质水解，产生糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
在另一个实施方案中，一种用于使纤维素转化成糖的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；(b)对所述生物质/IL浆料施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述生物质/IL浆料施加超声波、电磁(EM)、射频(RF)加热、对流加热、传导加热或其组合以将所述浆料维持在所述目标温度范围；(d)通过与反溶剂混合使无定形纤维素和/或结晶度降低的纤维素沉淀；以及(e)在促进纤维素水解成糖的条件下将纤维素酶添加到所述纤维素沉淀物中。在另一个实施方案中，所述加热可以是电磁加热、通过使用电磁波谱中的变频进行的加热、变频加热或其组合。
在另一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：(a)在足够的时间内和足够的温度下将生物质在足量的离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀而没有使所述生物质在所述IL中溶解；(b)对所述生物质/IL浆料施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述生物质/IL浆料施加超声波加热以将所述浆料维持在所述目标温度范围；(d)使用可以与水和所述IL混溶的纤维素的液体非溶剂对所述经过处理的生物质进行洗涤；以及(e)使所述经过处理且洗涤过的生物质与包含酶的水性缓冲液接触，所述酶能够使纤维素和半纤维素水解，产生糖，任选地己糖和戊糖。在另一个实施方案中，所述加热可以是电磁加热、通过使用电磁波谱中的变频进行的加热、变频加热或其组合。
在另一个实施方案中，一种用于使生物质的碳水化合物转化成糖的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；(b)对所述生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述生物质施加超声波、电磁(EM)、射频(RF)加热、对流加热、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；(d)洗涤所述经过处理的生物质；(e)使所述经过处理的生物质水解，产生糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
在另一个实施方案中，一种用于使纤维素转化成糖的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；(b)对所述生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述被IL溶胀的生物质施加超声波、电磁(EM)、射频(RF)加热、对流加热、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；(d)通过与反溶剂混合使无定形纤维素和/或结晶度降低的纤维素沉淀；以及(e)在促进纤维素水解成糖的条件下将纤维素酶添加到所述纤维素沉淀物中。在另一个实施方案中，所述加热可以是电磁加热、通过使用电磁波谱中的变频进行的加热、变频加热或其组合。
在另一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：(a)在足够的时间内和足够的温度下将生物质在足量的离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀而没有使所述生物质在所述IL中溶解；(b)对所述生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(c)对所述生物质施加超声波加热以将所述生物质维持在所述目标温度范围；(d)使用可以与水和所述IL混溶的纤维素的液体非溶剂对所述经过处理的生物质进行洗涤；以及(e)使所述经过处理且洗涤过的生物质与包含酶的水性缓冲液接触，所述酶能够使纤维素和半纤维素水解，产生糖，任选地己糖和戊糖。在另一个实施方案中，所述加热可以是电磁加热(例如，射频(RF)加热、红外(IR)加热)、通过使用电磁波谱中的变频进行的加热、变频加热或其组合。
在一个实施方案中，用于洗涤的所述液体非溶剂可以是水、醇、乙腈或溶解所述IL并且因此可以从生物质提取所述IL的溶剂。在另一个实施方案中，所述醇可以是乙醇、甲醇、丁醇、丙醇或其混合物。在另一个实施方案中，所述方法可以进一步包括通过选自以下的方法从所述液体非溶剂中回收所述IL：活性炭处理、蒸馏、膜分离、电化学分离技术、固相萃取、液-液萃取或其组合。在另一个实施方案中，所述加热可以是电磁加热、通过使用电磁波谱中的变频进行的加热、变频加热或其组合。
在一个实施方案中，所述处理可以产生包含蛋白质和木质素的固体残余物。在另一个实施方案中，所述处理可以产生包含木质素的固体残余物。在另一个实施方案中，可以将所述木质素转化成燃料、化学品、聚合物或其混合物。在另一个实施方案中，可以将所述洗涤液回收并且用RF加热处理以使所述离子液体脱水。
在另一个实施方案中，一种使生物质酸解的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；(b)添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述浆料的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；(c)对所述生物质/IL浆料施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；以及(d)对所述生物质/IL浆料施加超声波加热以将所述浆料维持在所述目标温度范围。
本发明还提供了一种使生物质酸解的方法，所述方法包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；(b)添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述浆料的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；(c)对所述生物质/IL浆料施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(d)对所述生物质/IL浆料施加超声波加热以将所述浆料维持在所述目标温度范围；(e)任选地洗涤所述经过处理的生物质；以及(f)回收糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。在另一个实施方案中，所述方法可以进一步包括添加碱，任选地NaOH或KOH以中和所述生物质/IL浆料的pH值。
在另一个实施方案中，一种使生物质酸解的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；(b)添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述生物质的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；(c)对所述生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；以及(d)对所述生物质施加超声波加热以将所述生物质维持在所述目标温度范围。
本发明还提供了一种使生物质酸解的方法，所述方法包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；(b)添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述生物质的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；(c)对所述生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(d)对所述被IL溶胀的生物质施加超声波加热以将所述生物质维持在所述目标温度范围；(e)任选地洗涤所述经过处理的生物质；以及(f)回收糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。在另一个实施方案中，所述方法可以进一步包括添加碱，任选地NaOH或KOH以中和所述生物质的pH值。
在另一个实施方案中，一种使生物质酸解的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；(b)添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述浆料的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；(c)对所述生物质/IL浆料施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；以及(d)对所述生物质/IL浆料施加超声波加热以将所述浆料维持在所述目标温度范围。
本发明还提供了一种使生物质酸解的方法，所述方法包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以形成生物质/IL浆料；(b)添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述浆料的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；(c)对所述生物质/IL浆料施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(d)对所述生物质/IL浆料施加超声波加热以将所述浆料维持在所述目标温度范围；(e)任选地洗涤所述经过处理的生物质；以及(f)回收糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。在另一个实施方案中，所述方法可以进一步包括添加碱，任选地NaOH或KOH以中和所述生物质/IL浆料的pH值。
在另一个实施方案中，一种使生物质酸解的方法可以包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；(b)添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述生物质的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；(c)对所述生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；以及(d)对所述生物质施加超声波加热以将所述生物质维持在所述目标温度范围。
本发明还提供了一种使生物质酸解的方法，所述方法包括：(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；(b)添加酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，任选地将所述生物质的pH值降低到低于pH 7，任选地pH 1-6；(c)对所述生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，任选地50℃-220℃；(d)对所述被IL溶胀的生物质施加超声波加热以将所述生物质维持在所述目标温度范围；(e)任选地洗涤所述经过处理的生物质；以及(f)回收糖，任选地戊糖和己糖，并且释放木质素。在另一个实施方案中，所述方法可以进一步包括添加碱，任选地NaOH或KOH以中和所述生物质的pH值。
在另一个实施方案中，所述加热可以是电磁加热、通过使用电磁波谱中的变频进行的加热、变频加热或其组合。在另一个实施方案中，pH值可以是约1、2、3、3.5、4、4.5、5、5.5、5.8、6、6.5或6.8。在又另一个实施方案中，所述pH值可以是约1-3、2-4、3-5、2-6、3.5-4.5或4-6。在另一个实施方案中，所述温度可以是约100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、120℃-150℃、130℃-140℃或100℃-150℃。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的系统可以包括：至少一个电磁(EM)烘箱；以及移动平台，其包括至少一条输送带，所述移动平台被配置成在所述移动平台的第一端处将生物质接收到输送带上，以使所述生物质移动通过电磁(EM)烘箱，从而通过射频处理与离子液体的组合对所述生物质进行处理，并且任选地，包括与反馈系统连接的传感器网络。在另一个实施方案中，一种用于处理生物质的系统可以包括：至少一个电磁(EM)烘箱；以及移动平台，其包括至少一条输送带，所述移动平台被配置成在所述移动平台的第一端处将生物质接收到输送带上，以使所述生物质移动通过电磁(EM)烘箱，从而通过红外(IR)加热处理与离子液体的组合对所述生物质进行处理，并且任选地，包括与反馈系统连接的传感器网络。在另一个实施方案中，所述电磁(EM)烘箱可以通过射频(RF)加热或红外(IR)加热对所述生物质进行加热。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的系统可以包括：混合区，在混合区中可以将所述生物质与离子液体混合；所述混合区与可变RF处理区连接，所述可变RF处理区包括可变上部电极和固定的下部电极，在可变RF处理区中可以对所述生物质进行可变RF处理；所述可变RF处理区与洗涤区连接，在洗涤区中可以对所述生物质进行洗涤，并且任选地，包括与反馈系统连接的传感器网络。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的系统可以包括：混合区，在混合区中可以将所述生物质与离子液体混合；所述混合区与红外(IR)热处理区连接，所述红外(IR)热处理区包括可变上部电极和固定的下部电极，在红外(IR)热处理区中可以对所述生物质进行红外(IR)热处理；所述红外(IR)热处理区与洗涤区连接，在洗涤区中可以对所述生物质进行洗涤，并且任选地，包括与反馈系统连接的传感器网络。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的系统可以包括：混合区，在混合区中将所述生物质与离子液体混合；所述混合区与电磁(EM)处理区，任选地射频或红外(IR)处理区连接，所述处理区包括可变上部电极和固定的下部电极，在处理区中对所述生物质进行电磁(EM)处理，任选地射频或红外(IR)处理；所述处理区与洗涤区连接，在洗涤区中对所述生物质进行洗涤，并且任选地，包括与反馈系统连接的传感器网络。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的系统可以包括反应器皿，所述反应器皿与传感器网络连接，所述传感器网络与反馈装置连接，所述反馈装置用于控制反应器皿内部的时间、温度、压力以及水含量。
在又另一个实施方案中，一种用于处理生物质(例如，木质生物质、原料、农业生物质)的方法和设备，其使用离子液体以及射频和较低的微波频率范围内的电磁波有效地在高固体装载量(例如，>30％w/w)下对生物质(例如，木质生物质、原料以及农业生物质)进行均匀的处理。鉴于木材、纤维素以及木质素是不良的导热体，因此基于通过传导或对流进行的加热来操作具有高固体装载量的反应器需要具有大容积/表面积的反应器。在这些情形下，可以使用射频(RF)波来加热离子液体或具有离子内含物的其它流体或极性流体，即使在所述流体分散于生物质或它的组分中时也可以使用。在与精确的控制系统连接的情况下，可以对混合物在反应器中的停留时间和温度进行控制并且以不同的规模成功实施所述方法。所述系统可以与膜式过滤器连接。所述膜式过滤器可以是包括超滤、纳米过滤、反渗透、渗透蒸发或其组合的膜法。所述系统还可以允许从流体中分离气体，如燃料气体。
在又另一个实施方案中，一种用于处理生物质(例如，木质生物质、原料、农业生物质)的方法和设备，其使用离子液体以及红外(IR)频率范围内的电磁波有效地在高固体装载量(例如>30％w/w)下对生物质(例如，木质生物质、原料以及农业生物质)进行均匀的处理。鉴于木材、纤维素以及木质素是不良的导热体，基于通过传导或对流进行的加热来操作具有高固体装载量的反应器需要具有大容积/表面积的反应器。在这些情形下，可以使用红外(IR)来加热离子液体或具有离子内含物的其它流体或极性流体，即使在所述流体分散于生物质或它的组分中时也可以使用。在与精确的控制系统连接的情况下，可以对混合物在反应器中的停留时间和温度进行控制并且以不同的规模成功实施所述方法。所述系统可以与膜式过滤器连接。所述膜式过滤器可以是包括超滤、纳米过滤、反渗透、渗透蒸发或其组合的膜法。所述系统还可以允许从流体中分离气体，如燃料气体。
在一个实施方案中，本发明提供了一种用于处理木质纤维素生物质、它的一种或多种成分、藻类、煤、纤维素、木质素以使它们转化成燃料、化学品、材料以及其它有附加价值的产品的方法。在另一个实施方案中，本发明提供了用于处理生物质浆料、溶液以及悬浮液的方法，所述方法利用射频电磁辐射和/或超声波加热使生物质和衍生产物有效且容易转化成可再生的燃料、化学品以及材料。在另一个实施方案中，本发明提供了用于处理生物质浆料、溶液以及悬浮液的系统，所述系统利用电磁辐射和/或超声波加热使生物质和衍生产物有效且容易转化成可再生的燃料、化学品以及材料。
在某些实施方案中，本发明涉及对生物质进行的射频电介质处理的开发。在一些实施方案中，本发明涉及用于离子液体处理方法的电介质加热处理的利用。在一些实施方案中，这一联系涉及到本发明利用电介质加热方法和设备使用离子液体、水溶液、酸性-碱性溶液、化学-生物催化剂对生物质进行有效的低固体装载量至高固体装载量处理以生产可再生的燃料、化学品以及材料。在一些实施方案中，本发明涉及通过利用RF波对由离子液体组成的稀水性或非水性溶液进行加热来浓缩不挥发的离子液体溶液。在一些实施方案中，本发明涉及用于生物质处理、处理、洗涤以及回收工艺的分批或连续处理的方法和设备的开发。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：将生物质与离子液体(IL)混合以形成浆料；使用电磁能(例如，射频能量)和超声波加热对所述生物质/IL浆料进行加热以产生经过处理的生物质；洗涤所述经过处理的生物质；以及使所述经过处理的生物质与酶接触以使所述经过处理的生物质转化成多糖并且释放结合的蛋白质和木质素。在一个实施方案中，所述方法可以包括通过射频加热进行均匀的热穿透。在另一个实施方案中，所述离子液体能够破坏纤维素或半纤维素结构中的氢键键合。在一个实施方案中，使所述离子液体在孵育期间熔融。在另一个实施方案中，可以将所述离子液体(IL)回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以通过施加射频加热使所述IL脱水。在另一个实施方案中，可以将用于水解的酶回收并且重复使用。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：将生物质与离子液体(IL)混合以使所述生物质溶胀；使用电磁能(例如，射频能量)和超声波加热对所述生物质进行加热以产生经过处理的生物质；洗涤所述经过处理的生物质；以及使所述经过处理的生物质与酶接触以使所述经过处理的生物质转化成多糖并且释放结合的蛋白质和木质素。在一个实施方案中，所述方法可以包括通过射频加热进行均匀的热穿透。在另一个实施方案中，所述离子液体能够破坏纤维素或半纤维素结构中的氢键键合。在一个实施方案中，使所述离子液体在孵育期间熔融。在另一个实施方案中，可以将所述离子液体(IL)回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以通过施加射频加热使所述IL脱水。在另一个实施方案中，可以将用于水解的酶回收并且重复使用。
在另一个实施方案中，可以对在对生物质进行IL孵育的步骤期间的时间和温度进行优化以使生物质的基质充分地溶胀以提高水解酶和水在水解步骤期间的渗透。在另一个实施方案中，所述孵育步骤包括将所述生物质在离子液体中孵育约5分钟至8小时范围内的一段时间，任选地约5-30分钟，使用射频和超声波、EM、对流、传导加热或其组合的组合在约50℃-200℃范围内的温度下加热，任选地持续约5-30分钟。在另一个实施方案中，可以对所述经过处理的生物质进行洗涤，然后进行水解以产生戊糖和己糖以及木质素。在另一个实施方案中，可以将所述糖转化成可再生的燃料、化学品，任选地乙醇、丁醇、乳酸、汽油、生物柴油、甲烷、氢气、塑料、蛋白质、药物或肥料。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：将生物质与离子液体(IL)混合以形成浆料；使用电磁能，优选地红外(IR)能量和超声波加热对所述生物质/IL浆料进行加热以产生经过处理的生物质；洗涤所述经过处理的生物质；以及使所述经过处理的生物质与酶接触以使所述经过处理的生物质转化成多糖并且释放结合的蛋白质和木质素。在一个实施方案中，所述方法可以包括通过射频加热进行均匀的热穿透。在另一个实施方案中，所述离子液体能够破坏纤维素或半纤维素结构中的氢键键合。在一个实施方案中，使所述离子液体在孵育期间熔融。在另一个实施方案中，可以将所述离子液体(IL)回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以通过施加射频加热使所述IL脱水。在另一个实施方案中，可以将用于水解的酶回收并且重复使用。
在一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：将生物质与离子液体(IL)混合以使所述生物质溶胀；使用电磁能，优选地红外(IR)能量和超声波加热对所述生物质进行加热以产生经过处理的生物质；洗涤所述经过处理的生物质；以及使所述经过处理的生物质与酶接触以使所述经过处理的生物质转化成多糖并且释放结合的蛋白质和木质素。在一个实施方案中，所述方法可以包括通过射频加热进行均匀的热穿透。在另一个实施方案中，所述离子液体能够破坏纤维素或半纤维素结构中的氢键键合。在一个实施方案中，使所述离子液体在孵育期间熔融。在另一个实施方案中，可以将所述离子液体(IL)回收并且重复使用。在另一个实施方案中，可以通过施加射频加热使所述IL脱水。在另一个实施方案中，可以将用于水解的酶回收并且重复使用。
在另一个实施方案中，可以对在对生物质进行IL孵育的步骤期间的时间和温度进行优化以使生物质的基质充分地溶胀以提高水解酶和水在水解步骤期间的渗透。在另一个实施方案中，所述孵育步骤包括将所述生物质在离子液体中孵育约5分钟至8小时范围内的一段时间，任选地约5-30分钟，使用红外(IR)加热和超声波、EM、对流、传导加热或其组合的组合在约50℃-200℃范围内的温度下加热，任选地持续约5-30分钟。在另一个实施方案中，可以对所述经过处理的生物质进行洗涤，然后进行水解以产生戊糖和己糖以及木质素。在另一个实施方案中，可以将所述糖转化成可再生的燃料、化学品，任选地乙醇、丁醇、乳酸、汽油、生物柴油、甲烷、氢气、塑料、蛋白质、药物或肥料。
在一个实施方案中，可以使所述生物质在离子液体(IL)中溶解。在另一个实施方案中，可以通过使用反溶剂使溶解的纤维素再生。在另一个实施方案中，所述反溶剂可以是水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物。
在一个实施方案中，所述红外辐射可以处在约430THz至300GHz的频率范围。在另一个实施方案中，所述红外辐射可以是约0.75-1.4μm的近红外(近IR)波长、约3-8μm的中红外(中IR)波长或约15-1,000μm的远红外(远IR)波长。
在一个实施方案中，可以将所述生物质与离子液体(IL)混合以形成生物质/IL浆料、悬浮液或悬浮液(处于液相中)。在另一个实施方案中，可以将所述生物质与离子液体(IL)混合以使所述生物质溶胀但没有溶解。
在一个实施方案中，所述反应器可以装载高水平的生物质。在另一个实施方案中，所述生物质-离子液体浆料包含至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％w/w的高固体装载量。在一个实施方案中，所述反应器可以装载高水平的生物质。在另一个实施方案中，所述生物质可以包含至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％w/w的高固体装载量。在另一个实施方案中，可以约30％w/w的高固体装载量装载所述生物质。
在一个实施方案中，可以将所述生物质粉碎成尺寸更小的粒子。在另一个实施方案中，可以将所述生物质在与离子液体混合之前粉碎成尺寸更小的粒子。在另一个实施方案中，可以将所述生物质粉碎成尺寸约0.1-20mm、0.1-2mm或约5mm的小粒子。
在另一个实施方案中，用于处理生物质的系统和方法可以使用电磁波谱中的变频与离子液体的组合。用于处理生物质的系统和方法可以使用电磁波谱中的变频与离子液体和酸的组合。可以对经过处理的生物质进行进一步处理以产生可再生的燃料、化学品和材料，任选地乙醇、丁醇、乳酸、汽油、生物柴油、甲烷、氢气、电力、塑料、复合材料、蛋白质、药物、肥料或它们的其它组分。
在另一个实施方案中，用于处理生物质的系统和方法可以使用电磁波谱中的变频，优选地红外(IR)加热与离子液体的组合。用于处理生物质的系统和方法可以使用电磁波谱中的变频，优选地红外(IR)加热与离子液体和酸的组合。可以对经过处理的生物质进行进一步处理以产生可再生的燃料、化学品和材料，任选地乙醇、丁醇、乳酸、汽油、生物柴油、甲烷、氢气、电力、塑料、复合材料、蛋白质、药物、肥料或它们的其它组分。
附图简述
图1A描绘了一种用于处理生物质的示例性方法，所述方法包括：与离子液体混合；通过射频进行加热，任选地重复上述操作；洗涤所述生物质，任选地回收所述IL；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述离子液体和酶回收并且重复使用。
图1B描绘了一种用于处理生物质的示例性方法，所述方法包括：与离子液体混合；通过射频辐射加热以达到目标温度范围，任选地重复上述操作；使用超声波(例如，具有约15kHz至40kHz或20kHz的高频和约0.0001mm-0.025mm的低振幅的声波)、电磁辐射(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合维持所述被IL溶胀的生物质的温度，任选地持续约5-30分钟，任选地重复上述操作；洗涤所述生物质，任选地回收所述IL并且通过施加射频加热使所述IL脱水；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述酶回收并且重复使用。
图1C描绘了一种用于处理生物质的示例性方法，所述方法包括：与离子液体和酸混合；通过射频辐射加热以达到目标温度范围，任选地重复上述操作；使用超声波、电磁辐射(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合维持所述被IL溶胀的生物质的温度；以及进行水解或另一反应。酸水解过程将纤维素和半纤维素还原成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)。此后分离糖和包含蛋白质和/或木质素的残余固体，所述糖用于进行进一步处理以生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理以生产化学品或生物燃料。
图1D描绘了一种用于处理生物质的示例性方法，在另一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：与离子液体混合；将所述生物质溶解在所述离子液体中；通过射频加热，任选地重复上述操作；使用反溶剂，任选地水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物使所述生物质再生，任选地回收所述IL，任选地洗涤所述生物质；回收所述生物质；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述离子液体和酶回收并且重复使用。
图2A是示出了电极位置的电磁(EM)烘箱内部的示意图。
图2B是电介质射频系统的示意图。
图2C是用于在对生物质进行电磁(EM)波处理期间进行温度过程状态测量的传感器的示意性侧面轮廓。
图3描绘了在电场中水分子的电子构型和(b)偶极重新定向。
图4描绘了离子液体的示例性阳离子和阴离子组分。
图5A是进行生物质处理的连续压带机式射频设备的示意图。
图5B是在射频处理系统中进行木质纤维素生物质处理的示意图，所述射频处理系统在具有三个区域的管道中包括阿基米德螺旋(Archimedes screw)。
图6描绘了通过在近IR(0.75-1.4μm波长)下使用红外加热使离子液体脱水以使离子液体浓缩(从50％到更高的浓度)随时间(分钟)所产生的离子液体的百分比。
图7描绘了通过在中IR(3-8μm波长)下使用红外加热使离子液体脱水以使离子液体浓缩(从50％到更高的浓度)随时间(分钟)所产生的离子液体的百分比。
图8A描绘了一种用于处理生物质的示例性方法，所述方法包括：与离子液体混合；通过红外(IR)能量进行加热，任选地重复上述操作；洗涤所述生物质，任选地回收所述IL；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述离子液体和酶回收并且重复使用。
图8B描绘了一种用于处理生物质的示例性方法，所述方法包括：与离子液体混合；通过红外(IR)辐射进行加热以达到目标温度范围，任选地重复上述操作；使用超声波(例如，具有约15kHz至40kHz或20kHz的高频和约0.0001mm-0.025mm的低振幅的声波)、电磁辐射(EM)(例如，射频、红外)、对流、传导加热或其组合维持所述被IL溶胀的生物质的温度，任选地持续约5-30分钟，任选地重复上述操作；洗涤所述生物质，任选地回收所述IL并且通过施加红外(IR)加热使所述IL脱水；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述酶回收并且重复使用。
图8C描绘了一种用于处理生物质的示例性方法，所述方法包括：与离子液体和酸混合；通过红外(IR)辐射加热以达到目标温度范围，任选地重复上述操作；使用超声波、电磁辐射(EM)(例如，射频、红外(IR))、对流、传导加热或其组合维持所述被IL溶胀的生物质的温度；以及进行水解或另一反应。酸水解处理将纤维素和半纤维素还原成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)。此后分离糖和包含蛋白质和/或木质素的残余固体，所述糖用于进行进一步处理以生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理以生产化学品或生物燃料。
图8D描绘了一种用于处理生物质的示例性方法，在另一个实施方案中，一种用于处理生物质的方法可以包括：与离子液体混合；将所述生物质溶解在所述离子液体中；通过红外(IR)加热，任选地重复上述操作；使用反溶剂，任选地水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物使所述生物质再生，任选地回收所述IL，任选地洗涤所述生物质；回收所述生物质；使纤维素和半纤维素水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶；分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料，所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料。可以将所述离子液体和酶回收并且重复使用。
图9是用于使IL混合物脱水的系统的示例性实施方案的示意图。
图10是用于使IL混合物脱水的系统的示例性实施方案的示意图。
优选实施方案详述
为了可以完全理解本文所述的本发明，阐述以下详细说明。对本发明的各种实施方案进行详细描述并且这些实施方案可以通过所提供的实施例进一步阐明。可以很容易设想到这些实施方案另外的可行的变化方案。
定义
除非另外定义，否则本文所用的所有技术和科学术语的含义具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所了解的相同含义。
除非上下文另外明确规定，否则如在本文的说明中以及在随后的整个权利要求书中所用的“一个(种)(a/an)”和“所述”的含义包括复数个指代对象。
如本文所用的“生物质”泛指任何生物材料。生物质涵盖含有有机组分的基质，所述基质可以被用于生产可再生的燃料、化学品和材料，如乙醇、丁醇、乳酸、汽油、生物柴油、甲烷、氢气、塑料、复合材料、蛋白质、药物、肥料或它们的其它组分。生物质可以是农业残余物，任选地玉米秸、小麦秸、甘蔗渣、稻壳或稻秸；木材和森林残余物，任选地松树、白杨、花旗松、橡树、锯末、纸/纸浆废液或木纤维；原料(例如，木质生物质和农业生物质)；野葛；藻类；煤；纤维素、木质素、草本能源作物，任选地柳枝稷、草芦或芒属植物；木质纤维素生物质，任选地包含木质素、纤维素以及半纤维素；植物生物质；或其混合物。生物质可以是包含纤维素、半纤维素以及木质素的木质纤维素生物质。
如本文所用的“红外(IR)”泛指波长比可见光的波长更长的电磁辐射，它的波长从可见光谱处于700纳米(nm)处的标称红边延伸到1mm。这个波长范围对应于约430THz至300GHz的频率范围，并且包括由接近室温的物体发出的大部分的热辐射。红外包括约0.75-1.4μm的近红外(近IR)波长、约3-8μm的中红外(中IR)波长以及约15-1,000μm的远红外(远IR)波长。
如本文所用的“离子液体”泛指仅含有离子的室温液体并且是在高达300℃下稳定的熔融盐。Sheldon(2001)Chem.Commun.23:2399-2407。
如本文所用的“木质纤维素生物质”泛指由纤维素、半纤维素以及木质素构成的植物生物质。碳水化合物聚合物(例如，纤维素和半纤维素)与木质素紧密结合。木质纤维素生物质可以分为四个主要的类别：农业残余物(例如，玉米秸和甘蔗渣)、专用能源作物、木材残余物(例如，锯木厂和造纸厂的废弃物)以及城市废纸。
如本文所用的“对生物质的预处理”泛指使生物质的生理化学结构发生改变以使其易于被高效转化成它们有价值的单体产物的过程。
如本文所用的“射频(RF)加热”泛指以约1-300MHz的频率对生物质/产物/电介质材料施加电磁场。
如本文所用的“电磁能(EM)”泛指由物体反射或发出的呈可以行进穿过空间的电波和磁波形式的能量形式。存在多种形式的电磁能，包括γ射线、x射线、紫外线辐射、可见光、红外辐射、微波以及无线电波(射频)。
如本文所用的“超声波”或“超声”泛指具有约15kHz至40kHz(例如，约20kHz)的高频和约0.0001mm-0.025mm的低振幅的声波(机械波)。
使用离子液体和RF加热的组合来处理生物质
本发明涉及对生物质、木质纤维素生物质、它的一种或多种成分、藻类或煤进行处理以使它们转化成燃料、化学品、材料以及其它有附加价值的产品。本发明包括可用于处理生物质浆料、溶胀的生物质、溶液以及悬浮液的系统和方法，所述系统和方法利用射频电磁辐射使生物质和衍生产物有效且容易转化成可再生的燃料、化学品以及材料。本发明提供了对生物质和相关产物进行的均匀的热穿透性射频处理。本发明提供了一种包括用于使用射频处理与离子液体的组合进行生物质处理的设备的系统以及用于优化的方法和工艺。
本发明提供了一种使用离子液体(IL)处理与RF加热的组合使木质纤维素的碳水化合物转化成糖的方法，所述方法在生产糖的产率和速率方面有所改进。这种处理策略基本上提高了木质纤维素生物质水解(例如，糖化)的效率(在产率和反应速率方面)。这种与现有技术方法形成鲜明对比的对由生物质生产糖的总体经济具有主要影响的IL处理方法的其它特征在于它(i)能够使用能够破坏天然纤维素结构的IL处理多种木质纤维素生物质来源；(ii)能够在孵育期间处理大的生物质与IL的比率；(iii)能够以非常低的酶装载量实现糖化；(iv)能够在大的生物质粒子的情况下表现良好；(v)具有完全回收(通过简便的手段)和多次重复使用被用于处理生物质的IL的潜能；(vi)能够产生不含可抑制对构成糖的下游处理(例如，乙醇和乳酸生产)的化合物的水解产物；以及(vii)允许在糖化后回收生物质中大部分的木质素。
可以将生物质在与离子液体混合和处理之前粉碎成尺寸更小的粒子。举例来说，可以将生物质研磨、短切或以其它方式粉碎成约0.1-2mm的小粒子。
图1A是一种用于由生物质生产糖的方法的示意图。生物质包括但不限于小麦秸、废稻秸、藻类、野葛、农业废物、城市废物、玉米秸、废木材、农业残余物，任选地玉米秸、小麦秸、甘蔗渣、稻壳或稻秸；木材和森林残余物，任选地松树、白杨、花旗松、橡树、锯末、纸/纸浆废液或木纤维；藻类；草本能源作物，任选地柳枝稷、草芦或芒属植物；为木质纤维素生物质的生物质，任选地包含木质素、纤维素以及半纤维素；以及为植物生物质的生物质。可以添加所述生物质达到高固体装载量(例如>30％w/w)。将生物质与离子液体(IL)混合以使所述生物质溶胀但没有溶解并且使用射频(RF)能量加热。可以对与离子液体的混合和使用RF进行的加热这两者进行监测以使得充分穿透和均匀加热，并且可以根据需要对条件(例如，时间、压力、热、RF能量的强度)进行调节以维持对生物质充分的穿透和均匀的加热。任选地，在施加RF加热后，可以使用超声波、电磁加热(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合维持所述被IL溶胀的生物质的温度。在处理(例如，与离子液体一起孵育和加热)后，可以洗涤经过处理的生物质，然后进行纤维素水解(纤维素裂解)以使纤维素和半纤维素分解成糖并且释放木质素。在水解处理中，可以对纤维素和半纤维素进行化学处理(例如，使用酸)或生化处理(例如，酶消化)。然后可以将糖与残余物质(例如，木质素)分离。然后可以将糖溶液转化成化学品(例如，乙醇、乳酸、丁二酸)。处理在降低糖生产中先前的操作(例如，尺寸缩减)和后续的操作(例如，酶促水解)中的成本和提高产率方面具有主要的影响。
图1B是一种用于由生物质生产糖的方法的示意图。将生物质与离子液体(IL)混合以形成被IL溶胀的生物质并且使用电磁能进行加热，所述加热包括两个阶段。在第一初始阶段中，使用射频(RF)能量将生物质加热到目标温度(或温度范围)。在第二维持阶段中，可以使用超声波(具有约15kHz至40kHz(例如，约20kHz)的高频和约0.0001mm-0.025mm的低振幅的声波)、电磁辐射(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合将热维持在目标温度(例如，50℃-70℃)。可以对与离子液体混合的步骤和加热步骤这两者进行监测以使得充分穿透和均匀加热，并且可以根据需要对条件(例如，时间、压力、热、RF能量的强度)进行调节以维持对生物质充分的穿透和均匀的加热。在处理(例如，与离子液体一起孵育和电磁辐射(EM)(例如，射频)加热)后，可以洗涤经过处理的生物质。可以收集洗涤流出物并且通过施加RF能量使离子液体脱水。RF能量加热IL的速度比它加热水的速度快，这是因为IL中的偶极矩更强。不受特定理论所束缚，本申请的发明人惊人地发现离子试图与电磁辐射(EM)(例如，射频)波对准，从而使产生的偶极矩总是发生变化。参见图3。通过RF加热的IL充当用于将水加热并且从IL洗涤流出物中蒸发的基质。然后可以对经过处理且洗涤过的生物质进行纤维素水解(纤维素裂解)以使纤维素和半纤维素分解成糖并且释放木质素。在水解处理中，可以对纤维素和半纤维素进行化学处理(例如，使用酸)或生化处理(例如，酶消化)。然后可以将糖与残余物质(例如，木质素)分离。然后可以将糖溶液转化成化学品(例如，乙醇、乳酸、丁二酸)。在水解后，可以将酶回收。此外，在水解步骤中可以使用嗜热性酶(例如，在约70℃下稳定并且具有活性的酶)。使用嗜热性酶允许在更高的温度下操作水解步骤并且提高水解步骤的效率和产率。举例来说，嗜热性内切糖苷水解酶和外切糖苷水解酶的混合物可以在高温和酸性pH值下具有活性。所述嗜热性酶可以从嗜热细菌分离得到，所述嗜热细菌包括但不限于硫化叶菌(Sulfolobussolfataricus)、酸热脂环酸芽孢杆菌(Alicyclobacillus acidocaldarius)以及嗜热栖热菌(Thermus thermophilus)。此外，还可以使用嗜热性纤维素酶。
图1C是一种用于由生物质生产糖的方法的示意图。将生物质与离子液体(IL)和酸混合，所述离子液体使所述生物质溶胀但没有使它溶解。然后可以使用电磁能对生物质、离子液体(IL)以及酸的这种混合物进行加热，所述加热包括两个阶段。在第一初始阶段中，使用射频(RF)能量加热生物质。在第二维持阶段中，可以使用超声波、电磁辐射(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合将热维持在目标温度(例如，120℃、130℃、140℃、150℃、50℃-70℃、50℃-200℃)。可以对与离子液体混合的步骤和加热步骤这两者进行监测以使得充分穿透和均匀加热，并且可以根据需要对条件(例如，时间、压力、热、RF能量的强度)进行调节以维持对生物质充分的穿透和均匀的加热。在酸解期间，将纤维素和半纤维素分解为它的构成糖(例如，戊糖和己糖)。此外，可以释放与纤维素和半纤维素缔合的任何蛋白质，产生蛋白质残余物。在酸解后，可以收集洗涤流出物并且通过施加RF能量使离子液体脱水。然后可以将糖与残余物质(例如，木质素)分离。然后可以将糖溶液转化成化学品(例如，乙醇、乳酸、丁二酸)。可以回收木质素。另外，可以回收酸。
图1D是一种方法的示意图，其中可以将生物质与离子液体混合并且可以将所述生物质溶解在所述离子液体中。可以通过以下步骤对生物质/IL溶液进行加热：首先进行电磁(EM)(例如，射频)加热以达到目标温度或温度范围(例如，50℃-220℃)，然后使用超声波、电磁(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合在约50℃至200℃(例如，120℃、130℃、140℃、150℃)下加热1-180分钟、约5-30分钟或3-4小时。可以通过使用传感器对条件进行监测并且对这些条件进行调节以维持条件。可以对所述条件进行监测和调节以维持RF波对生物质均匀的加热和充分的穿透。可以使用反溶剂，任选地水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物使生物质再生。可以洗涤再生的生物质。可以将所述IL回收并且重复使用。可以对再生的生物质进行水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)以使纤维素和半纤维素水解成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶。可以分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理以生产化学品或生物燃料，并且所述残余固体用于进行进一步处理以生产化学品或生物燃料。
使用离子液体和红外(IR)加热的组合来处理生物质
本发明涉及对生物质、木质纤维素生物质、它的一种或多种成分、藻类或煤进行处理以使它们转化成燃料、化学品、材料以及其它有附加价值的产品。本发明包括可用于处理生物质浆料、溶胀的生物质、溶液以及悬浮液的系统和方法，所述系统和方法利用红外(IR)加热使生物质和衍生产物有效且容易转化成可再生的燃料、化学品以及材料。本发明提供了对生物质和相关产物进行的均匀的热穿透性红外(IR)加热处理。本发明提供了一种包括用于使用红外(IR)加热与离子液体的组合进行生物质处理的设备的系统以及用于优化的方法和工艺。
本发明提供了一种使用离子液体(IL)处理与红外(IR)加热的组合使木质纤维素的碳水化合物转化成糖的方法，所述方法在生产糖的产率和速率方面有所改进。这种处理策略基本上提高了木质纤维素生物质水解(例如,糖化)的效率(在产率和反应速率方面)。这种与现有技术方法形成鲜明对比的对由生物质生产糖的总体经济具有主要影响的IL处理方法的其它特征在于它(i)能够使用能够破坏天然纤维素结构的IL处理多种木质纤维素生物质来源；(ii)能够在孵育期间处理大的生物质与IL的比率；(iii)能够以非常低的酶装载量实现糖化；(iv)能够在大的生物质粒子的情况下表现良好；(v)具有完全回收(通过简便的手段)和多次重复使用被用于处理生物质的IL的潜能；(vi)能够产生不含可抑制对构成糖的下游处理(例如，乙醇和乳酸生产)的化合物的水解产物；以及(vii)允许在糖化后回收生物质中大部分的木质素。
可以将生物质在与离子液体混合和处理之前粉碎成尺寸更小的粒子。举例来说，可以将生物质研磨、短切或以其它方式粉碎成约0.1-2mm的小粒子。
图8A是一种用于由生物质生产糖的方法的示意图。生物质包括但不限于小麦秸、废稻秸、藻类、野葛、农业废物、城市废物、玉米秸、废木材、农业残余物，任选地玉米秸、小麦秸、甘蔗渣、稻壳或稻秸；木材和森林残余物，任选地松树、白杨、花旗松、橡树、锯末、纸/纸浆废液或木纤维；藻类；草本能源作物，任选地柳枝稷、草芦或芒属植物；为木质纤维素生物质的生物质，任选地包含木质素、纤维素以及半纤维素；以及为植物生物质的生物质。可以添加所述生物质达到高固体装载量(例如>30％w/w)。将生物质与离子液体(IL)混合以使所述生物质溶胀但没有溶解并且使用红外(IR)加热进行加热。可以对与离子液体的混合和使用红外(IR)加热进行的加热这两者进行监测以使得充分穿透和均匀加热，并且可以根据需要对条件(例如，时间、压力、热、红外(IR)加热的强度)进行调节以维持对生物质充分的穿透和均匀的加热。任选地，在施加RF加热后，可以使用红外(IR)加热、超声波、电磁加热(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合维持所述被IL溶胀的生物质的温度。在处理(例如，与离子液体一起孵育和加热)后，可以洗涤经过处理的生物质，然后进行纤维素水解(纤维素裂解)以使纤维素和半纤维素分解成糖并且释放木质素。在水解处理中，可以对纤维素和半纤维素进行化学处理(例如，使用酸)或生化处理(例如，酶消化)。然后可以将糖与残余物质(例如，木质素)分离。然后可以将糖溶液转化成化学品(例如，乙醇、乳酸、丁二酸)。处理在降低糖生产中先前的操作(例如，尺寸缩减)和后续的操作(例如，酶促水解)中的成本和提高产率方面具有主要的影响。
图8B是一种用于由生物质生产糖的方法的示意图。将生物质与离子液体(IL)混合以形成被IL溶胀的生物质并且使用电磁能进行加热，所述加热包括两个阶段。在第一初始阶段中，使用红外(IR)加热将生物质加热到目标温度(或温度范围)。在第二维持阶段中，可以使用超声波(具有约15kHz至40kHz(例如，约20kHz)的高频和约0.0001mm-0.025mm的低振幅的声波)、电磁辐射(EM)(例如，射频)、红外(IR)加热、对流、传导加热或其组合将热维持在目标温度(例如，，50℃-70℃)。可以对与离子液体混合的步骤和加热步骤这两者进行监测以使得充分穿透和均匀加热，并且可以根据需要对条件(例如，时间、压力、热、红外(IR)加热的强度)进行调节以维持对生物质充分的穿透和均匀的加热。在处理(例如，与离子液体一起孵育和电磁辐射(EM)(例如，射频加热、红外(IR)加热))后，可以洗涤经过处理的生物质。可以收集洗涤流出物并且通过施加红外(IR)加热使离子液体脱水。红外(IR)能量加热IL的速度比它加热水的速度快，这是因为IL中的偶极矩更强。不受特定理论所束缚，本申请的发明人惊人地发现离子试图与电磁辐射(EM)(例如，射频、红外)波对准，从而使产生的偶极矩总是发生变化。参见图3。通过红外加热的IL充当用于将水加热并且从IL洗涤流出物中蒸发的基质。然后可以对经过处理且洗涤过的生物质进行纤维素水解(纤维素裂解)以使纤维素和半纤维素分解成糖并且释放木质素。在水解处理中，可以对纤维素和半纤维素进行化学处理(例如，使用酸)或生化处理(例如，酶消化)。然后可以将糖与残余物质(例如，木质素)分离。然后可以将糖溶液转化成化学品(例如，乙醇、乳酸、丁二酸)。在水解后，可以将酶回收。此外，在水解步骤中可以使用嗜热性酶(例如，在约70℃下稳定并且具有活性的酶)。使用嗜热性酶允许在更高的温度下操作水解步骤并且提高水解步骤的效率和产率。举例来说，嗜热性内切糖苷水解酶和外切糖苷水解酶的混合物可以在高温和酸性pH值下具有活性。所述嗜热性酶可以从嗜热细菌分离得到，所述嗜热细菌包括但不限于硫化叶菌、酸热脂环酸芽孢杆菌以及嗜热栖热菌。此外，还可以使用嗜热性纤维素酶。
图8C是一种用于由生物质生产糖的方法的示意图。将生物质与离子液体(IL)和酸混合，所述离子液体使所述生物质溶胀但没有使它溶解。然后可以使用电磁能对生物质、离子液体(IL)以及酸的这种混合物进行加热，所述加热包括两个阶段。在第一初始阶段中，使用红外(IR)加热来加热生物质。在第二维持阶段中，可以使用超声波、电磁辐射(EM)(例如，射频)、红外(IR)加热、对流、传导加热或其组合将热维持在目标温度(例如，120℃、130℃、140℃、150℃、50℃-70℃、50℃-200℃)。可以对与离子液体混合的步骤和加热步骤这两者进行监测以使得充分穿透和均匀加热，并且可以根据需要对条件(例如，时间、压力、热、红外(IR)加热的强度)进行调节以维持对生物质充分的穿透和均匀的加热。在酸解期间，将纤维素和半纤维素分解为它的构成糖(例如，戊糖和己糖)。此外，可以释放与纤维素和半纤维素缔合的任何蛋白质，产生蛋白质残余物。在酸解后，可以收集洗涤流出物并且通过施加红外(IR)加热使离子液体脱水。然后可以将糖与残余物质(例如，木质素)分离。然后可以将糖溶液转化成化学品(例如，乙醇、乳酸、丁二酸)。可以回收木质素。另外，可以回收酸。
图8D是一种方法的示意图，其中可以将生物质与离子液体混合并且可以将所述生物质溶解在所述离子液体中。可以通过以下步骤对生物质/IL溶液进行加热：首先进行电磁(EM)(例如，红外(IR))加热以达到目标温度或温度范围(例如，50℃-220℃)，然后使用超声波、电磁(EM)(例如，射频)、红外(IR)加热、对流加热、传导加热或其组合在约50℃至200℃(例如，120℃、130℃、140℃、150℃)下加热1-180分钟、约5-45分钟或3-4小时。可以通过使用传感器对条件进行监测并且对这些条件进行调节以维持条件。可以对所述条件进行监测和调节以维持红外(IR)加热对生物质均匀的加热和充分的穿透。可以使用反溶剂，任选地水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物使生物质再生。可以洗涤再生的生物质。可以将所述IL回收并且重复使用。可以对再生的生物质进行水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)以使纤维素和半纤维素水解成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶。可以分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理以生产化学品或生物燃料，并且所述残余固体用于进行进一步处理以生产化学品或生物燃料。
电磁(EM)波加热
生物质产品在高固体装载量下是相对不良的导热体，并且大部分的常规热处理工艺依靠通过传导从所述产品的外部向内部进行的热穿透(表面加热)。在工业规模的处理操作中，处理时间可能长得不可接受。通过微波或射频(RF)能量进行的电介质加热缩短了热处理过程，这是因为由电磁能与产品之间的直接相互作用产生热。RF加热以类似于微波加热的方式在整个产品中按体积产生热。然而，RF处理与微波处理的不同之处在于产品被放置在两个平行电极之间并且以与电极表面成直角的定向方式产生RF场(图2A和2B)。图2B是电介质射频系统的示意图，其中被IL溶胀的生物质被放置在(或通过)两个产生RF加热场的电极之间。特氟隆(Teflon)块和特氟隆膜保护电极并且形成当中放置(或通过)被IL溶胀的生物质的腔室的一部分。图2B是在本发明的一个实施方案中用于在对生物质进行RF波处理期间进行温度测量的热电偶/光纤夹具的示意性侧面轮廓。
另外，使用RF场进行电介质加热的机制不同于微波(MW)加热。MW加热主要是通过由游离水分子的偶极旋转产生的摩擦热而进行的，而RF加热的主要机制是经由溶剂化离子的去极化(图3)。MW加热与RF加热还在许多其它方面有所不同。由于频率与波长是成反比的，因此RF(较低频率)波长(即，在自由空间中在27.12MHz下是11m)比MW(较高频率)波长(即，在自由空间中在2450MHz下是0.12m)要长得多。随着电波向材料中穿透，发生衰减，因此传播波的能量呈指数减小。穿透深度(dp)被定义为在能量减小到表面能量值的1/e(1/2.72)时在材料中所处的深度。这一dp与波长成比例。RF范围(例如，13.56MHz、27.12MHz以及40.68MHz)内的自由空间波长是常用的微波频率(例如，915MHz和2450MHz)下的波长的20倍-360倍，从而允许RF能量与微波能量相比更深地穿透产品。在RF加热期间，电磁功率可以深得多地穿透到样品中而没有表面过度加热或产生热点/冷点，这些现象在MW加热的情况下很可能发生。因此，使用RF加热进行的热处理适用于处理大的产品/工艺。Wang等,(2003)Journal of Food Science 68(2):539-544。
RF加热提供了以下优势：与MW加热相比，由于更深水平的功率穿透以及更简单更均匀的场图，在样品几何形状上的加热更均匀。与RF加热相对比，更高频率的微波可以提供更大的加热强度，然而，在它们不能足够深地穿透或提供均匀加热时对于生物质产品有限制。功率穿透深度随波长变短而减小，即随频率增加而减小。在射频下的穿透深度是大约数米，并且除非损耗因子非常高，否则是可以确保穿透加热的。另一方面，在微波区内，穿透深度变得非常小，特别是在材料非常潮湿时。在由联邦通信委员会(Federal CommunicationCommission，FCC)指定用于工业加热的RF加热频率下的波长是2种常用的微波频率下的波长的22倍至360倍，这允许RF能量比微波更深地穿透电介质材料。因此，射频加热在更大的规模和更高水平的固体装载量(例如，约>20％w/w和约>70％w/w)下在进行生物质处理和电介质材料处理方面显示出意想不到的结果。
在过去的很多年以来，有许多研究集中在使用MW对固体和半固体食品进行快速加热。这种研究中的大多数的目标在于实现快速的加热，同时试图评价对最终产品的质量的影响。MW加热的特征之一在于它受到MW相对小的穿透深度的限制，这使得这一技术仅可用于小尺寸的食品。然而，使用RF一般而言可以克服这一限制。实际上，在RF频率(例如，1至300MHz)下的波长是对应于常用于MW的两个频率值(例如，915MHz和2.450GHz)的波长的多达360倍。这允许RF能量比MW更深地穿透诸如食品之类的电介质材料。Wang等,(2003)Journal of Food Science 68(2):539-544。
在RF加热中，将食品放在两个电极之间，其中通过电能转换产生电磁场。在以RF波长施加电磁场时，阳离子向阴极区域的移动和阴离子向阳极区域的移动(离子去极化)引起加热。除了偶极旋转之外，这种机制在MW加热中也是有效的，所述偶极旋转指的是偶极分子根据电磁场的极性进行配向。RF加热取决于食品的介电特性，这受频率、温度、水分含量以及组成的影响。Marra等,(2009)Journal of Food Engineering 91(4):497-508；Piyasena等,(2003)。RF相对于微波(MW)更长的波长提供了更高的穿透深度，这允许对更厚的产品，如鸡胸肉进行加热。通过更长的波长在传递能量同时避免了烹调过度。然而，电弧放电和热失控的风险是限制RF加热在食品工业中使用的主要问题(Zhao,Flugstad,Kolbe,Park以及Wells,2000)。
RF加热已被证明允许在整个电介质材料中进行快速的热传递，这是因为体积加热并不依赖于经由表面的热传递并且持续到水的沸点以及超过水的沸点。RF加热是一种允许在整个介质中进行快速的均匀加热的加热技术。这种技术由于相对于所施加的外部电场旋转的极性电介质分子的摩擦相互作用而同时在产品内以及在它的整个质量中产生更大的能量。RF电介质加热与食品应用中常规的加热方法相比提供多种优势，包括通过热效率增加而节约能量、实现快速且均匀的加热、减少检查、因不存在燃烧的副产物而避免污染。Cathcart和Park(1946)首先对使用RF加热使冷冻的蛋、水果、蔬菜以及鱼融化进行研究。射频电介质加热现在被广泛用于工业应用中，如干燥木材原木、纺织产品(例如，线轴、粗纱、绞丝)、纸的最终干燥、在烘箱出口处使小点心最终脱水以及使蜂蜜熔融(Barker 1983；Orfeuil1987)。
然而，直接使用电磁(EM)(例如，射频)波加热生物质和离子液体复合物的问题在于产生失控的温度。在上文所述的典型使用中，水吸收冲击能量并且帮助升高复合物的温度。随着水蒸发，电磁(EM)(例如，射频)波穿过材料的那一部分而没有进一步的能量耗散。在不蒸发或预期不蒸发的离子液体或含有离子的复合物的情况下，设置需要受到更加特定的控制。所述控制可以包括多个传感器(例如，热电偶、纳米传感器、流量传感器或其它类型的传感器)，所述传感器传送局部条件，以使得用于这一区域的电磁(EM)(例如，射频)单元可以被适当地控制(例如，被打开/关闭或被设定到不同的频率/功率)。因而每当生物质相对于复合物中的其它组分的装载量相对高时，可以将这种设置用于处理、水解(例如，酸水解或酶促水解或基于IL的水解或其组合)或其它反应环境中。
用于处理生物质的加热可以包括两个阶段：(1)初始阶段，其中施加RF能量以快速地加热生物质；以及(2)维持阶段，其中施加超声波、电磁辐射(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合以维持生物质的热。
可以通过微控制器对RF对生物质的加热进行监测并且维持在设定的温度和压力参数以内。举例来说，可以将生物质维持在预定的温度，并且在生物质的温度降到低于这个目标温度时再施加RF，并且在生物质的温度超过所述目标温度时中止RF。可以重复这个过程以在RF加热期间维持生物质的平均温度。
本申请的发明人惊人地发现RF加热可以快速地、均匀地且有效地加热被IL溶胀的生物质、生物质/IL浆料或生物质/IL悬浮液，从而允许对生物质的处理时间更快。此外，使用RF加热还出人意料地允许更高的固体装载量(例如，>30％w/w)。
生物质处理条件
射频(RF)可以包含至少约3-30Hz、30-300Hz、300-3000Hz、3-30kHz、30-300kHz、300kHz-3MHz、3-30MHz或30-300MHz的频率。射频(RF)可以是约13、13.56、27、27.12、40或40.68MHz。
可以将生物质加热到以下温度：至少约10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、120℃、130℃、140℃、150℃、200℃、300℃、400℃、60℃-130℃、80℃-175℃、130℃-150℃或100℃-240℃。
射频RF可以穿透所述生物质达约0.001至2.0米的厚度。可以在间歇或连续的搅拌下进行射频加热。
可以使用RF将生物质加热至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59或60秒。可以使用RF将生物质加热至少约1-60秒、1-30秒、1-20秒、5-10秒或1-10秒。可以使用RF将生物质加热至少约10、20、30、40、50、60秒。可以使用RF将生物质加热至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170或180分钟。可以使用RF将生物质加热至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23或24小时。可以使用RF将生物质加热至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9或10天。可以使用RF将生物质加热至少约5-10秒、10-30秒、10-30分钟、1-30分钟、5-30分钟、1-20分钟、20分钟至2小时、5分钟至3小时、5分钟至2小时、1-4小时、2-4小时、1-2小时或3-4小时。
用于处理生物质的加热可以包括两个阶段：(1)初始阶段，其中施加红外(IR)加热以快速地加热生物质；以及(2)维持阶段，其中施加超声波、电磁辐射(EM)(例如，射频、红外)、对流、传导加热或其组合以维持生物质的热。
可以通过微控制器对红外(IR)加热对生物质的加热进行监测并且维持在设定的温度和压力参数以内。举例来说，可以将生物质维持在预定的温度，并且在生物质的温度降到低于这个目标温度时再施加红外(IR)加热，并且在生物质的温度超过所述目标温度时中止红外(IR)加热。可以重复这个过程以在红外(IR)加热期间维持生物质的平均温度。
本申请的发明人惊人地发现红外(IR)加热可以快速地、均匀地且有效地加热被IL溶胀的生物质、生物质/IL浆料或生物质/IL悬浮液，允许对生物质的处理时间更快。此外，使用红外(IR)加热还出人意料地允许更高的固体装载量(例如，>30％w/w)。
红外(IR)加热可以包含至少约300GHz-430THz之间的频率。红外辐射可以是约0.75-1.4μm的近红外(近IR)波长、约3-8μm的中红外(中IR)波长或约15-1,000μm的远红外(远IR)波长。
可以通过红外(IR)加热将生物质加热到以下温度：至少约10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、120℃、125℃、130℃、140℃、150℃、200℃、300℃、400℃、60℃-130℃、80℃-175℃、125℃-150℃、130℃-150℃或100℃-240℃。
红外(IR)加热可以穿透生物质达约0.001至2.0米的厚度。可以在间歇或连续的搅拌下进行红外(IR)加热。
可以使用红外(IR)将生物质加热至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59或60秒。可以使用红外(IR)将生物质加热至少约1-60秒、1-30秒、1-20秒、5-10秒或1-10秒。可以使用红外(IR)将生物质加热至少约10、20、30、40、50、60秒。可以使用红外(IR)将生物质加热至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170或180分钟。可以使用红外(IR)将生物质加热至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23或24小时。可以使用红外(IR)将生物质加热至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9或10天。可以使用红外(IR)将生物质加热至少约5-10秒、10-30秒、10-30分钟、1-30分钟、5-30分钟、1-20分钟、20分钟至2小时、5分钟至3小时、5分钟至2小时、1-4小时、2-4小时、1-2小时或3-4小时。可以使用红外(IR)将生物质加热约15分钟，然后使用对流加热将生物质加热约15分钟。可以使用红外(IR)将生物质加热约45分钟，然后使用对流加热将生物质加热约60分钟。
可以在以下压力下处理生物质：至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、30、40、50、60、70、80、90或100个大气压(atm)。
用于本文所述的方法中的超声波可以是具有约15-40kHz、20-30kHz、25-35kHz或约15、20、30、35、35或40kHz)的高频和约0.0001-0.025mm的振幅的声波。可以在间歇或连续的搅拌下进行超声波加热。
可以100-1,000W、1KW-10KW或5KW-1MW的功率加热生物质。
可以将生物质粉碎成尺寸更小的粒子。可以将生物质在与离子液体混合之前粉碎成尺寸更小的粒子。可以将生物质粉碎成约0.1-20mm、0.1-2mm或约5mm尺寸的小粒子。
可以在高水平的生物质下对生物质进行处理。生物质-离子液体浆料可以包含至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、或95％w/w的高固体装载量。被IL溶胀的生物质可以包含至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％w/w的高固体装载量。可以约30％w/w的高固体装载量装载所述生物质。本申请的发明人惊人地发现使用电磁加热(例如，射频加热、变频电磁加热、可变红外(IR)加热)允许以高固体装载量水平，例如，>30％w/w处理生物质。
用于处理生物质的系统和方法可以使用电磁波谱中的变频与离子液体的组合。用于处理生物质的系统和方法可以使用电磁波谱中的变频与离子液体和酸的组合。可以对经过处理的生物质进行进一步处理以产生可再生的燃料、化学品和材料，任选地乙醇、丁醇、乳酸、汽油、生物柴油、甲烷、氢气、电力、塑料、复合材料、蛋白质、药物、肥料或它们的其它组分。
用于本文所述的方法和系统中的电磁加热可以是电磁波谱中的变频(例如，射频、红外)。用于使IL脱水的红外(IR)干燥装置可以包括不同的设计配置。
图900描绘了一种使用电磁(EM)加热使离子液体(IL)脱水的示例性系统900，所述系统900使用薄层布置以使IL流进行流动或下降。用于本文所述的系统中的EM加热可以是电磁波谱中的变频(例如，射频(RF)、红外(IR))。图9中所示的实施方案仅是示例性的。
系统900可以包括一个或多个加热表面902。所述加热表面902可以是金属。加热表面902可以辐射IR热910。加热表面902可以从一个或多个热源902a辐射或发出IR热910。加热表面902可以根据位置以不同的波长或频率发出IR热910。加热表面902可以发出RF波。
液体IL流904可以在热源902上流动。系统900可以包括一个或多个面板906。面板906可以彼此平行放置以形成一个或多个通道以引导IL流904的流动。面板906可以发出或辐射IR热910。从面板906上的区域发出或辐射出的IR热的波长或频率可以不同，这取决于该区域是更靠近一个或多个可变电极908还是更靠近加热表面902。
加热表面可以倾斜，以使得IL流904的流动由重力驱动。可以将IL流904泵送通过由面板906构成的通道。面板906和加热表面902可以由IR吸收材料制成。面板906和加热表面902可以是金属的。
系统900可以包括一个或多个可变电极908。可变电极908可以被定位在IL流904的流动上方，如图9中所示。可变电极908可以包括一个或多个薄金属条片，所述薄金属条片经过对准以装入由加热表面902和面板906形成的通道中。可变电极908可以包括多孔膜层/薄片，所述多孔膜层/薄片将流入由面板906和加热表面902形成的通道中的IL分开。多孔膜可以具有面向IL流904的下表面和与下表面相对的上表面。
当IL流904流过由一个或多个由加热表面902和一个或多个面板906形成的一个或多个通道时，可以从一个或多个方向对IL流施加IR热波910，从而将IL流904加热。在IR波910从面板906中更靠近可变电极908的区域发出时，它的频率可以更高。随着IL流904的温度上升，IL流904中的水开始以水蒸气912的形式蒸发并且与IL流904中的剩余液体分离。水蒸气912可以上升穿过一个或多个可变电极908的多孔膜。可以高水吸收频率发出IR波910。
在一些实施方案中，可以在可变电极的与面向IL流904的流动的侧面相对的侧面上使空气或惰性气体循环。可以使用真空(未示出)使空气或惰性气体循环。可以使用风扇系统(未示出)使空气循环。真空和/或风扇可以从一个或多个可变电极908的膜的上侧抽出或去除水蒸气。可以将水蒸气从可变电极吹走或抽走并且在冷凝器(未示出)处冷凝。
图9描绘了IL蒸发器系统的水平配置。在其它实施方案中，可以倾斜或甚至垂直配置来设置IL蒸发器。另外，这些模式/单元可以被设计成具有单个处理单元或类似于壳管式热交换器配置堆叠在一起的多个处理单元。“壳侧”可以具有一个或多个使用一个或多个反射器和发射器的IR加热/辐射源。“管部分”被制成多孔的(如果是水平放置，则在上半部分上，或如果是垂直放置，则在一半侧面上)。整个壳侧可以在大气压、真空或在惰性条件下操作。
图10描绘了一种使用电磁(EM)加热使离子液体(IL)脱水的示例性系统1000，所述系统1000使用喷洒配置。用于本文所述的系统中的EM加热可以是电磁波谱中的变频(例如，射频(RF)、红外(IR))。图10中所示的实施方案仅是示例性的。图10中所示的实施方案部分地基于IR辐射不需要介质来传送辐射或热的原理。
如图10中所示，可以将稀IL流或物质1004垂直地从经由表面1006的中央突出的出口1002中喷出。表面1006可以是水平的。表面1006可以是倾斜的。出口1002可以是喷嘴。在其它实施方案中，出口1002可以靠近表面1006并且被配置成使IL物质或IL流以一定的角度喷出以使得它落在水平表面上。表面1006可以包括一个或多个板。这些板可以是金属的并且由吸收IR波1010的材料制成。这些板的温度可以因这些板吸收IR波而升高。表面1006可以是圆形的、凹形的或碗形的，其中出口1002经由中央突出。出口1002可以充当喷泉，其将IL物质1004垂直地喷出而远离表面1006直到重力将所述物质拉回到所述表面上为止。出口1002可以与泵连接以提供足够的压力将IL物质经由出口排出。
系统1000可以包括一个或多个IR辐射源1008。IR辐射源1008可以位于表面1006的外侧边缘周围以朝所述表面的中央发出IR辐射1010。IR辐射源1008可以位于所述表面上方以向下朝所述表面发出IR波。IR辐射源1008可以位于表面1006的周边或外围周围。
在IL物质1004从出口1002中喷出或发出时，可以向喷洒物中发射IR波1010。IL物质1004可以吸收来自IR波1010的热，引起IL物质1004的温度升高。随着温度上升，IL物质中的水开始蒸发并且与IL物质1004的其余部分分离。真空源可以位于所述表面上方以产生真空，所述真空在水蒸发时将水蒸气抽走而远离IL溶液。风扇源可以位于所述表面上方以在水蒸发时将水蒸气吹走而远离IL溶液。风扇源或真空源可以引起气体循环(以1012示出)。气体可以是空气或惰性气体。
如果水残留在被喷射并且落在表面上的IL物质1012中，那么由表面1006所吸收的热可以使得所述表面将IL物质1004中至少一些残留的水蒸去。可以在表面1006的中央收集剩余的IL物质1004并且经由一个或多个围绕出口的排放口排放，或吸收在围绕出口的吸收性材料中。
本文所述的IR蒸发器配置可以用于对生物质糖水解产物和木质素化合物进行浓缩、加热以及灭菌。
离子液体(IL)
本发明是一种通过使用射频加热连同离子液体(IL)处理木质纤维素生物质以促进它的碳水化合物高效且快速酶促水解的新型策略。示例性离子液体(IL)和处理方法描述于美国专利号8,030,030中。离子液体也是本领域已知的。参见例如，Earle和Seddon(2000)Pure Appl.Chem.72(7):1391-1398；以及Wasserscheid和Keim(2000)Angew.Chem.Int.39版:3772-3789。
离子液体在室温下是液体并且可以仅含有离子并且是在高达300℃下稳定的熔融盐。参见Sheldon(2001)Chem.Commun.23:2399-2407。它们含有通常是有机化合物的阳离子和无机或有机组分的阴离子，因此所得的盐是不对称的。由于与IL的不对称性质有关的不良堆积，因此晶体形成被抑制并且IL在广泛的温度范围内保持为液体。可以使用广泛的阴离子和阳离子产生具有不同的熔点、粘度、热稳定性以及极性的IL。当前使用的一些阳离子的实例包括铵、锍、鏻、锂、咪唑鎓、吡啶鎓、甲基吡啶鎓、吡咯烷鎓、噻唑鎓、三唑鎓、噁唑鎓或其组合。Murugesan和Linhardt(2005)Current Organic Synthesis 2:437-451。离子液体在<100℃下也是液体，具有广泛的液体范围、几乎无蒸气压、具有高极性、对有机和无机物质具有高的溶解能力、具有良好的热、机械以及电化学稳定性、高热容量、不易燃并且具有导电性。
离子液体具有非常低的挥发性并且在被用作溶剂时，它们不会导致挥发性组分的排放。在这种意义上，它们是对环境无害的溶剂。IL已被设计成溶解纤维素和木质纤维素。在溶解后，可以通过使用反溶剂使纤维素再生。然而，很难使木质纤维素材料(特别是木材)在IL中完全溶解，并且即使是部分溶解也需要将生物质在IL中在高温下孵育很长时间。即使那样，一般在再生后也不会实现高的纤维素产率。Fort等,(2007)Green.Chem.9:63。
本发明与使用离子液体的传统方法的不同之处在于目的并非在于溶解木质纤维素，而是使它与IL接触足够的时间以主要破坏木质素覆盖层并且使剩余的生物质结构显著(至少30％)溶胀，但没有使木质纤维素溶解并且进一步施加射频加热。举例来说，生物质与IL的孵育和EM加热(例如，射频或红外)可以持续足够的时间以主要破坏木质素覆盖层并且使剩余的生物质结构显著(至少10％、20％、30％、40％或50％)溶胀，但没有使木质纤维素溶解。这种组合处理使得后续的酶促水解处理能够在相对短的时间内进行并且提供葡萄糖的定量产率和高的戊糖产率。在本文所述的处理方法中可以使用能够破坏氢键键合结构以降低生物质中纤维素的结晶度的任何离子液体，所述离子液体可以包含包括咪唑鎓、吡咯烷鎓、吡啶鎓、鏻、铵或其组合以及其所有官能化类似物的阳离子结构。举例来说，如图4中所示的三唑鎓的结构，其中R1、R2、R3、R4以及R5中的每一个可以是氢、具有1至15个碳原子的烷基或具有2至10个碳原子的烯基，其中所述烷基可以被砜、亚砜、硫醚、醚、酰胺、羟基或胺取代并且其中A可以是卤离子、氢氧根、甲酸根、乙酸根、丙酸根、丁酸根、具有多达总共10个碳原子的任何官能化的单羧酸或二羧酸、丁二酸根、乳酸根、天冬氨酸根、乙二酸根、三氯乙酸根、三氟乙酸根、二氰胺或羧酸根。IL的结构的另一个实例是图4中所示的吡啶，其中R1、R2、R3、R4、R5以及R6中的每一个可以是氢、具有1至15个碳原子的烷基或具有2至10个碳原子的烯基，其中所述烷基可以被砜、亚砜、硫醚、醚、酰胺、羟基或胺取代并且其中A可以是卤离子、氢氧根、甲酸根、乙酸根、丙酸根、丁酸根、具有多达总共10个碳原子的任何官能化的单羧酸或二羧酸、丁二酸根、乳酸根、天冬氨酸根、乙二酸根、三氯乙酸根、三氟乙酸根、二氰胺或羧酸根。卤离子可以是氯离子、氟离子、溴离子或碘离子。
此外，在本文所述的方法和系统中还可以使用具有由方程式1所述的组成的离子液体混合物。
&Sigma; n = 1 20 [ C + ] n [ A - ] n
在方程式1中，C+表示IL的阳离子并且A-表示IL的阴离子组分。被添加到所述混合物中的每一种另外的IL可以具有与先前组分相同的阳离子或与先前组分相同的阴离子，与第一种的区别仅在于阳离子和阴离子的独特组合。举例来说，考虑以下IL的五组分混合物，其中使用共同的阳离子和阴离子，但每一种单独的IL组分是不同的：
[BMIM+][Cl-]+[BMIM+][PF6-]+[EMIM+][Cl-]+[EM-IM+][PF6-]+[EMIM+][BF4 -]
离子液体的最终混合物的绝对组成将有所不同，如可以由各种官能化的阳离子和阴离子的摩尔百分比所限定。因此，混合物可以包含不同重量百分比的每一种所用的组分，如由方程式1所定义。使用的用于处理生物质的多种这样的代表性溶剂可以是1-乙基-3-甲基咪唑丙酸盐(EMIM-Pr)，如美国专利号8,030,030中所述。此外，还可以使用离子液体1-(4-磺酸)丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐。
离子液体可以具有不超过以下的水含量：约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或25％。此外，还可以将所述离子液体回收并且重复使用。
可以将生物质溶解于离子液体中。可以将生物质溶解于离子液体中并且通过使用反溶剂再生。反溶剂可以是水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物。
回收IL/使IL脱水
可以收集洗涤流出物并且通过施加RF能量使离子液体脱水。RF能量加热IL的速度比它加热水的速度快，这是因为IL中的偶极矩更强。不受特定理论所束缚，本申请的发明人惊人地发现离子试图与电磁(EM)(例如，射频)波对准，从而使偶极矩总是发生变化。通过RF加热的IL充当用于将水加热并且从IL洗涤流出物中蒸发的基质。因此，可以使用RF能量加热包含溶剂和离子液体的洗涤流出物。RF能量驱除水，可以将所述水收集并且从洗涤液中去除。因此使所得的离子液体脱水(例如，已去除水)并且可以重复使用。
可以收集洗涤流出物并且通过施加红外(IR)加热使离子液体脱水。IR能量加热IL的速度比它加热水的速度快，这是因为IL中的偶极矩更强。不受特定理论所束缚，本申请的发明人惊人地发现离子试图与电磁(EM)(例如，射频、红外)波对准，从而使偶极矩总是发生变化。通过IR加热的IL充当用于将水加热并且从IL洗涤流出物中蒸发的基质。因此，可以使用IR能量加热包含溶剂和离子液体的洗涤流出物。IR能量驱除水，可以将所述水收集并且从洗涤液中去除。因此使所得的离子液体脱水(例如，已去除水)并且可以重复使用。
根据一个实施方案的用于使离子液体脱水/干燥的方法包括接触稀IL水溶液的浆料以及使其在封闭的可变IR装置中循环。经由IR装置抽拉热空气/真空以去除汽化的水并且另外，通过使这一蒸汽穿过热交换器而使它冷凝以进行水的重新使用和热整合。这种方法利用了显著减少量的热空气/真空干燥和IR干燥器以及占地空间要求来使离子液体干燥/脱水。由于水对离子液体的亲和力而持续需要从离子液体中高效地回收水。因此，使用IR通过薄金属条/带电极进行的高效且快速的加热处理使得离子液体快速干燥，从而使大体积浓缩离子液体的空间和能量需求减到最低程度。
酸解
在酸解处理中，将生物质与离子液体(IL)、酸(例如，硫酸、盐酸、硝酸或磷酸)混合，并且使用电磁能加热，所述加热包括两个阶段。在第一初始阶段中，使用射频(RF)能量加热生物质。在第二维持阶段中，使用超声波、电磁辐射(EM)(例如，射频、红外)、对流、传导加热或其组合将热维持在目标温度(例如，50℃-70℃)。可以对与离子液体混合的步骤和加热步骤这两者进行监测以使得充分穿透和均匀加热，并且可以根据需要对条件(例如，时间、压力、热、RF能量的强度)进行调节以维持对生物质充分的穿透和均匀的加热。在酸解后，可以收集洗涤流出物并且通过施加RF能量使离子液体脱水。在酸解后，可以收集洗涤流出物并且通过施加红外(IR)能量使离子液体脱水。此外，可以添加碱(例如，NaOH、KOH)以中和生物质/IL浆料。此外，可以添加碱(例如，NaOH、KOH)以中和被IL溶胀的生物质。此外，酸解还可以包括间歇或连续的搅拌。在酸解处理后，然后可以将糖与残余物质(例如，木质素)分离。然后可以将糖溶液转化成化学品(例如，乙醇、乳酸、丁二酸)。可以回收木质素。另外，可以回收酸。包括施加电磁(EM)(例如，射频、红外)加热的使用离子液体和酸对生物质进行的处理可以产生生物质的降解产物，包括但不限于5-羟甲基糠醛、呋喃-2-甲酸、儿茶酚、甲基儿茶酚、甲基愈创木酚、乙酰愈创木酮以及丙酮醇，以及木质纤维素生物质的木质素的降解。还参见Li等,(2010)Ind.Eng.Chem.Res.49(7):3126-3136。
举例来说，可以将生物质与离子液体(例如，1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑鎓)和5％硫酸或5％盐酸一起孵育并且加热到90℃，持续1-3小时、2小时、5-30分钟、1-30分钟或5-15分钟。
可以将酸添加到生物质/离子液体浆料中以达到以下pH值：至少约1、2、3、4、5、6、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8或6.9。可以将酸添加到生物质/离子液体浆料中以达到以下pH值：至少约1-3、2-4、3-5、4-6或5-6.5。
可以将酸添加到被IL溶胀的生物质中以达到以下pH值：至少约1、2、3、4、5、6、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8或6.9。可以将酸添加到被IL溶胀的生物质中以达到以下pH值：至少约1-3、2-4、3-5、4-6或5-6.5。
酸可以是至少约1、2、3、4、5或6M的硫酸、盐酸、硝酸或磷酸。酸可以是至少约1-3、2-4、3-5、4-6或5-6.5M的硫酸、盐酸、硝酸或磷酸。
酸解反应可以在至少约50℃-70℃、60℃、80℃、90℃、100℃、105℃或110℃下操作。
转化成有附加价值的产品
可以使用以下工艺将生物质(例如，纤维素、半纤维素以及木质素)转化成有附加价值的化学品(例如，乙醇)。参见Corma等,(2007)“Chemical Routes for the Transformation of Biomass into Chemicals.”Chem.Rev.107:2411-2502。本文所述的方法将生物质分离成它的以下主要成分：纤维素、半纤维素以及木质素。然后可以使纤维素和半纤维素转化(例如，水解)成糖。举例来说，可以使半纤维素转化成五碳糖和六碳糖(例如，木糖、阿拉伯糖)并且可以使纤维素转化成六碳糖(例如，葡萄糖)。然后可以使糖发酵成产品(例如，乙醇)。可以使木质素转化成能量、燃料、塑料或粘合剂。可以对纤维素和半纤维素进行水解处理(纤维素裂解)，所述水解处理是化学处理(例如，酸)或生化处理(例如，酶消化)。一些用于将纤维素、木质纤维素以及其它生物质化学处理成化学品的方法是本领域已知的。参见例如，Kobayashi等,(2012)Catal.Sci.Technol.2:869-883；Ishikawa和Saka(2001)“Chemical Conversion of Cellulose as treated in supercritical methanol.”Cellulose 8(3):189-195；Tao等,(2011)“Catalytic Conversion of cellulose to chemicals in ionic liquid.”Car bohydrate Research 346(1):58-63；Tao等,(2011)Carbohydrate Res earch 346(1):58-63；以及Binder和Raines(2009)J.Am.Chem.So c.131:1979-1985。这些方法可以联同本文所述的处理和处理方法一起使用。
化学转化成有附加价值的产品
化学处理可以包括与酸一起在热和压力下孵育或浓酸水解处理(例如，舍莱尔工艺(Scholler process))。还参见Robinson(1995)“AMild,Chemical Conversion of Cellulose to Hexane and Other LiquidHydrocarbon Fuels and Additives,”ACS Fuel Chemistry Preprints 40(3):729；以及Binder和Raines(2010)PNAS 107(10):4516-4521。可以用碱性过氧化物处理纤维素，然后用酶处理以使细胞壁分解。举例来说，可以将生物质用离子液体处理以使糖(例如，葡萄糖和果糖)转化成5-羟甲基糠醛(HMF)。使HMF氧化产生2,5-呋喃二甲酸。
在其它处理中，可以将纤维素和半纤维素转化成5-羟甲基糠醛(HMF)，所述5-羟甲基糠醛可以用作塑料和燃料的原材料。可以使用金属氯化物(例如，氯化铬)和离子液体一起将糖(例如，葡萄糖和果糖)转化成HMF。化学品，即被称为氯化铬的金属氯化物将糖转化成高纯度的HMF。可以将金属氯化物和离子液体重新使用。使HMF氧化产生2,5-呋喃二甲酸，2,5-呋喃二甲酸可以用作对苯二甲酸的替代物来生产聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))。参见Zhao等,(2007)Science316(5831):1597-1600。
此外，可以通过使用协同的离子液体对来使纤维素降解以使纤维素组合溶解和催化降解成2-(二乙氧基甲基)呋喃。参见Long等,(2011)Green Chem.13:2334-2338。
可以在本文所述的方法中使用催化剂来提高反应的反应速率。举例来说，可以使用碱金属和碱土金属氯化物和过渡金属氯化物(例如，CrCl3、FeCl2以及CuCl2)以及IIIA族金属氯化物(例如，AlCl3)作为催化剂。参见例如，Peng等,(2010)Molecules 15:5258-5272。另外，可以联同离子液体一起使用CoSO4作为催化剂。
另外，可以使用通过本文所述的方法产生的糖来生产丁二酸、甘油、3-羟基丙酸、2,5-二甲基呋喃(DMF)、5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛、2,5-呋喃二甲酸、衣康酸、乙酰丙酸、醛、醇、胺、对苯二甲酸、己二胺、异戊二烯、聚羟基烷酸酯、1,3-丙二醇或其混合物。
此外，也可以使用通过本文所述的方法产生的经过处理的生物质来生产丁二酸、甘油、3-羟基丙酸、2,5-二甲基呋喃(DMF)、5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛、2,5-呋喃二甲酸、衣康酸、乙酰丙酸、醛、醇、胺、对苯二甲酸、己二胺、异戊二烯、聚羟基烷酸酯、1,3-丙二醇或其混合物。此外，对经过处理的生物质进行化学处理可以引起气体产生，包括但不限于甲烷、乙烷、CO、CO2以及H2。
生化转化成有附加价值的产品
在酶促水解中，通过纤维素酶将纤维素消化成糖分子。可以在温和条件(例如，50℃和pH 5)下使木质纤维素材料进行酶促水解以使纤维素分解。举例来说，可以使用纤维二糖水解酶、外切-1,4-β-葡聚糖酶、内切-β-1,4-葡聚糖酶、β-葡糖苷酶、内切纤维素酶、外切纤维素酶、纤维二糖酶以及β-1,4-葡聚糖酶对纤维素进行酶消化。半纤维素酶包括但不限于昆布多糖酶、地衣多糖酶、β-木糖苷酶、木聚糖酶(例如，内切-1,4-β-木聚糖酶、木聚糖1,4-β-木糖苷酶、木聚糖内切-1,3-β-木糖苷酶、木聚糖1,3-β-木糖苷酶)、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶、阿拉伯糖内切-1,5-α-L-阿拉伯糖苷酶、甘露聚糖酶(例如，甘露聚糖内切-1,4-β-甘露糖苷酶、甘露聚糖1,4-β-甘露糖苷酶、甘露聚糖1,4-β-甘露二糖苷酶、甘露聚糖内切-1,6-β-甘露糖苷酶)、半乳聚糖酶，并且可以使用木聚糖酶进行半纤维素酶的酶消化。Jeffries“8.Biodegradation of lignin and hemicelluloses.”Biochemistry of Microbial Degradation,第233-277页。纤维素酶、木聚糖酶以及半纤维素酶可以是重组的，包括由重组真菌表达的那些酶。参见Lynd(1996)Annu Rev Energy Environ 21:403-465。
在对经过处理的生物质进行酶处理中，可以将生物质加热到至少约50℃-100℃、55℃或70℃。
在组合的水解和发酵方法中，可以将纤维素和半纤维素与热纤梭菌(Clostridium thermocellum)一起孵育，所述热纤梭菌利用它的复合纤维小体(cellulosome)将纤维素分解成乙醇、乙酸盐以及乳酸盐。
对于乙醇生产，可以对纤维素进行纤维素裂解处理或气化。在纤维素裂解中，使经过处理的木质纤维素生物质进行水解，然后可以通过微生物发酵对纤维素进行处理。举例来说，可以将纤维素与酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、运动发酵单胞菌(Zymomonas mobilis)以及大肠杆菌(Escherichia coli)(包括重组微生物)一起孵育以使木糖和阿拉伯糖发酵产生糖和乙醇。参见Jeffries和Jin(2004)Appl Microbiol Biotechnol 63(5):495-509。气化工艺(一种热化学方法)将纤维素和半纤维素转化成合成气。然后可以将一氧化碳、二氧化碳和氢气与杨氏梭菌(Clostridium ljungdahlii)一起孵育。杨氏梭菌摄取一氧化碳、二氧化碳以及氢气产生乙醇和水。
在水解步骤中可以使用热稳定性酶。热稳定性酶在高达约70℃下可以是稳定的并且具有活性，与大多数可商购获得的酶在55℃下相对比。
另外，可以使用通过本文所述的方法产生的糖来生产丁二酸、甘油、3-羟基丙酸、2,5-二甲基呋喃(DMF)、5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛、2,5-呋喃二甲酸、衣康酸、乙酰丙酸、醛、醇、胺、对苯二甲酸、己二胺、异戊二烯、聚羟基烷酸酯、1,3-丙二醇或其混合物。
此外，也可以使用通过本文所述的方法产生的经过处理的生物质来生产丁二酸、甘油、3-羟基丙酸、2,5-二甲基呋喃(DMF)、5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛、2,5-呋喃二甲酸、衣康酸、乙酰丙酸、醛、醇、胺、对苯二甲酸、己二胺、异戊二烯、聚羟基烷酸酯、1,3-丙二醇或其混合物。此外，对经过处理的生物质进行生化处理可以引起气体产生，包括但不限于甲烷、乙烷、CO、CO2以及H2。
此外，可以使半纤维素转化成木糖，然后转化成乙醇、木糖醇、塑料。可以使木质素转化成燃料、塑料以及粘合剂。可以使纤维素转化成葡萄糖和纸浆。
现在对附图进行说明，图1A示出了执行本发明方法的步骤的示例性系列。
可以将以下代表性离子液体中的一种与生物质的小粒子100[例如干玉米秸或白杨(-20+80筛目尺寸的粒子)]接触不同的时间(约5分钟至8小时)200：1-正丁基-3-甲基氯化咪唑鎓(BMIMCl)/1-正乙基-3-甲基咪唑乙酸盐(EMIMAc)/1-乙基-3-甲基咪唑丙酸盐(EMIMPr)/1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑鎓/3-甲基-N-丁基氯化吡啶鎓。可以使用电磁(EM)(例如，射频)加热和超声波、电磁(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合在约50℃至200℃下进行与生物质的孵育，只要离子液体在孵育期间呈熔融状态即可300。可以通过使用传感器对条件进行监测并且对这些条件进行调节以维持条件。可以使用RF加热在约27mHz下将生物质加热至少约5秒至2小时。然后可以使用超声波、电磁(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合将被IL溶胀的生物质加热约至少3-30分钟或3-4小时。可以对所述条件进行监测和调节以维持RF波对生物质均匀的加热和充分的穿透。可以重复步骤200、300和/或400。此外，可以分批或连续形式进行步骤300和/或400。处理300的目标并非在于实现木质纤维素的任何溶解，而是将被IL溶胀的生物质加热足够的时间以使木质素重新分布并且使剩余的生物质结构溶胀以提高纤维素和半纤维素向它们的构成糖的水解率和转化600。
然后可以使经过处理的生物质与代表性洗涤溶剂中的一种，即甲醇/乙醇/水/乙腈/丁醇/丙醇接触400。洗涤溶剂与IL混合(按所有比例)并且因此能够将它从孵育的生物质中提取出。然后可以通过离心将经过处理的生物质与离子液体/洗涤溶剂溶液分离。然后可以使用纤维素酶系统将脱去IL的生物质水解500。可以经由合适的分离方法将IL从来自洗涤步骤的洗涤溶剂和任何溶解的生物质组分中回收，所述分离方法包括以下至少一种：活性炭处理、蒸馏、膜分离、电化学分离技术、固相萃取、液-液萃取或其组合。然后可以使离子液体再循环回到处理罐中。也可以使洗涤溶剂再循环回以重复用于洗涤与IL一起孵育的生物质。还可以通过RF加热使洗涤溶剂脱水来使洗涤溶剂脱水，从而驱除水，留下脱水的IL。
可以通过将洗涤溶剂(乙醇和/或水)从具有极低挥发性的IL中蒸发来将IL从IL/洗涤溶剂混合物中回收400。然后可以在不进行另外的清洁步骤的情况下将回收的IL用于在恒定处理条件下进行的后续生物质处理循环中。所述方法允许反复地重复使用IL而进行最低限度的清洁，这可以使得IL处理的成本节约增加。
再循环的IL中残留的水可能会降低IL切断赋予纤维素以结晶度的链间和链内氢键的能力。为了实现生物质的溶胀，必须破坏多个纤维素氢键。因此，预期溶解的水会影响IL作为生物质处理溶剂的性能。IL中可容许的水含量可能在两个方面影响处理方法的经济情况。首先，它决定了在可以将IL重复使用之前IL必须达到的干燥程度。其次，它决定了在与IL一起孵育期间生物质必须达到的干燥程度。
在水解500后，可以将酶从水解反应器中回收并且再循环。在将IL再循环之前未必将洗涤溶剂(水)完全去除。许多其它处理方法并不适合于容易地回收在处理中使用的化学品。在使用适当的酶混合物进行的能够使经过预处理的生物质中的所有碳水化合物转化成糖的水解(糖化)后，在糖化反应器中留下的大部分固体代表生物质的木质素部分。这提供了从生物质中回收木质素的方法700。此外，对水解产物的液体部分进行超滤提供了一种从糖溶液中回收水解酶以供重复使用的手段，所述糖溶液是用于生产多种燃料和化学品的前体700。
当前使用RF和离子液体进行处理，任选地继而进行水解(糖化技术)500的方法允许以糖化后固体残余物的形式回收生物质中的木质素700。最终，可以使在处理生物质300后获得的水解产物中的糖在没有进一步调节和由水解产物中任何残余的痕量IL所带来的不利影响的情况下转化600成燃料乙醇或其它生物产品，如乳酸。对这种残余物进行进一步化学/生化处理可以产生可以用于生产燃料、化学品、聚合物以及其它材料的化合物。
图1B示出了执行本发明方法的步骤的示例性系列。
可以将以下代表性离子液体中的一种与生物质的小粒子101(例如，干玉米秸或白杨(-20+80筛目尺寸的粒子)]接触不同的时间(约5分钟至8小时)以使用IL使所述生物质溶胀201：1-正丁基-3-甲基氯化咪唑鎓(BMIMCl)/1-正乙基-3-甲基咪唑乙酸盐(EMIMAc)/1-乙基-3-甲基咪唑丙酸盐(EMIMPr)/1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑鎓/3-甲基-N-丁基氯化吡啶鎓。可以通过以下步骤对被IL溶胀的生物质进行加热：首先进行电磁(EM)(例如，射频)加热以达到目标温度或温度范围(例如，50℃-220℃)301，然后使用超声波、电磁(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合在约50℃至200℃下加热3-30分钟或3-4小时302。可以通过使用传感器对条件进行监测并且对所述条件进行调节以维持条件301302。可以对所述条件进行监测和调节以维持RF波对生物质均匀的加热和充分的穿透。可以重复步骤201、301、302和/或401。此外，可以分批或连续形式进行步骤301、302和/或401。
然后可以使经过处理的生物质与代表性洗涤溶剂中的一种，即甲醇/乙醇/水/乙腈/丁醇/丙醇接触401。洗涤溶剂与IL混合(按所有比例)并且因此能够将它从孵育的生物质中提取出。然后可以通过离心将经过处理的生物质与离子液体/洗涤溶剂溶液分离。然后可以使用纤维素酶系统将脱去IL的生物质水解501。可以经由合适的分离方法将IL从来自洗涤步骤的洗涤溶剂和任何溶解的生物质组分中回收，所述分离方法包括以下至少一种：活性炭处理、蒸馏、膜分离、电化学分离技术、固相萃取、液-液萃取或其组合。然后可以使离子液体再循环回到处理罐中。也可以使洗涤溶剂再循环回以重复用于洗涤与IL一起孵育的生物质。还可以通过RF加热使洗涤溶剂脱水来使洗涤溶剂脱水，从而驱除水，留下脱水的IL 701。
可以通过将洗涤溶剂(乙醇和/或水)从具有极低挥发性的IL中蒸发来将IL从IL/洗涤溶剂混合物中回收400。然后可以在不进行另外的清洁步骤的情况下将回收的IL用于在恒定处理条件下进行的后续生物质处理循环中。所述方法允许反复地重复使用IL而进行最低限度的清洁，这可以使得IL处理的成本节约增加。
在水解501后，可以将酶从水解反应器中回收并且再循环。在将IL再循环之前未必将洗涤溶剂(水)完全去除。许多其它处理方法不适合于容易地回收在处理中使用的化学品。在使用适当的酶混合物进行的能够使经过预处理的生物质中的所有碳水化合物转化成糖的水解(糖化)后，在糖化反应器中留下的大部分固体代表生物质的木质素部分。这提供了从生物质中回收木质素的方法700。此外，对水解产物的液体部分进行超滤提供了一种从糖溶液中回收水解酶以供重复使用的手段，所述糖溶液是用于生产多种燃料和化学品的前体700。
当前使用RF和离子液体进行处理，任选地继而进行水解(糖化技术)500的方法允许以糖化后固体残余物的形式回收生物质中的木质素700。最终，可以使在处理生物质301、302后获得的水解产物中的糖在没有进一步调节和由水解产物中任何残余的痕量IL所带来的不利影响的情况下转化600成燃料乙醇或其它生物产品，如乳酸。对这种残余物进行进一步化学/生化处理可以产生可以用于生产燃料、化学品、聚合物以及其它材料的化合物。
图1C示出了执行本发明方法的步骤的示例性系列。
可以将生物质102与离子液体(例如，1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑鎓)混合不同的时间(例如，约5分钟至8小时)以使所述生物质溶胀202。可以将酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸添加到被IL溶胀的生物质中以实现酸性pH值，任选地pH约1、2、3、4、5或6或低于pH 7，然后加热800。可以通过以下步骤对被IL溶胀的生物质进行加热：首先进行电磁(EM)(例如，射频)加热以达到目标温度或温度范围(例如，50℃-220℃)，然后使用超声波、电磁(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合在约50℃至200℃(例如，120℃)下加热3-30分钟或3-4小时。可以通过使用传感器对条件进行监测并且对这些条件进行调节以维持条件。可以对所述条件进行监测和调节以维持RF波对生物质均匀的加热和充分的穿透。可以重复步骤102、202和/或800。此外，可以分批或连续形式进行步骤102、202和/或800。此外，可以添加碱(例如，NaOH、KOH)以在酸解处理后中和被IL溶胀的生物质。
还可以通过RF加热使洗涤溶剂脱水，从而驱除水，留下脱水的IL来使离子液体脱水702。
在酸解800后，可以使糖转化600成燃料乙醇或其它生物产品，如乳酸。另外，可以使残余固体(例如，木质素)转化成其它产品700。对这种残余物进行进一步化学/生化处理可以产生可以用于生产燃料、化学品、聚合物以及其它材料的化合物。
图1D示出了执行本发明方法的步骤的示例性系列。
可以将生物质103与离子液体混合203并且可以使生物质在离子液体中溶解204。可以通过以下步骤对生物质/IL溶液进行加热：首先进行电磁(EM)(例如，射频)加热303以达到目标温度或温度范围(例如，50℃-220℃)，然后使用超声波、电磁(EM)(例如，射频)、对流、传导加热或其组合在约50℃至200℃(例如，120℃、130℃、140℃、150℃)下加热1-180分钟或3-4小时304。可以通过使用传感器对条件进行监测并且对这些条件进行调节以维持条件。可以对所述条件进行监测和调节以维持RF波对生物质均匀的加热和充分的穿透。可以使用反溶剂，任选地水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物使生物质再生205。可以洗涤再生的生物质205。可以将IL回收并且重复使用703。可以使再生的生物质进行水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)以使纤维素和半纤维素水解成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶502。可以分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料600，并且所述残余固体用于进行进一步处理来生产化学品或生物燃料700。
现在对附图进行说明，图8A示出了执行本发明方法的步骤的示例性系列。
可以将以下代表性离子液体中的一种与生物质的小粒子100(例如，干玉米秸或白杨(-20+80筛目尺寸的粒子)]接触不同的时间(约5分钟至8小时)200：1-正丁基-3-甲基氯化咪唑鎓(BMIMCl)/1-正乙基-3-甲基咪唑乙酸盐(EMIMAc)/1-乙基-3-甲基咪唑丙酸盐(EMIMPr)/1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑鎓/3-甲基-N-丁基氯化吡啶鎓。可以使用电磁(EM)(例如，射频、红外)加热和超声波、电磁(EM)(例如，射频、红外)、对流、传导加热或其组合在约50℃至200℃下进行与生物质的孵育，只要离子液体在孵育期间呈熔融状态即可300。可以通过使用传感器对条件进行监测并且对这些条件进行调节以维持条件。可以使用红外(IR)加热将生物质加热至少约10-60分钟。然后可以使用超声波、电磁(EM)(例如，射频、红外)、对流加热、传导加热或其组合将被IL溶胀的生物质加热约至少5-45分钟或3-4小时。可以对所述条件进行监测和调节以维持红外加热对生物质均匀的加热和充分的穿透。可以重复步骤200、300和/或400。此外，可以分批或连续形式进行步骤300和/或400。处理300的目标并非在于实现木质纤维素的任何溶解，而是将被IL溶胀的生物质加热足够的时间以使木质素重新分布并且使剩余的生物质结构溶胀以提高纤维素和半纤维素向它们的构成糖的水解率和转化600。
然后可以使经过处理的生物质与代表性洗涤溶剂中的一种，即甲醇/乙醇/水/乙腈/丁醇/丙醇接触400。洗涤溶剂与IL混合(按所有比例)并且因此能够将它从孵育的生物质中提取出。然后可以通过离心将经过处理的生物质与离子液体/洗涤溶剂溶液分离。然后可以使用纤维素酶系统将脱去IL的生物质水解500。可以经由合适的分离方法将IL从来自洗涤步骤的洗涤溶剂和任何溶解的生物质组分中回收，所述分离方法包括以下至少一种：活性炭处理、蒸馏、膜分离、电化学分离技术、固相萃取、液-液萃取或其组合。然后可以使离子液体再循环回到处理罐中。也可以使洗涤溶剂再循环回以重复用于洗涤与IL一起孵育的生物质。还可以通过红外(IR)加热使洗涤溶剂脱水来使洗涤溶剂脱水，从而驱除水，留下脱水的IL。
可以通过将洗涤溶剂(乙醇和/或水)从具有极低挥发性的IL中蒸发来将IL从IL/洗涤溶剂混合物中回收400。然后可以在不进行另外的清洁步骤的情况下将回收的IL用于在恒定处理条件下进行的后续生物质处理循环中。所述方法允许反复地重复使用IL而进行最低限度的清洁，这可以使得IL处理的成本节约增加。
再循环的IL中残留的水可能会降低IL切断赋予纤维素以结晶度的链间和链内氢键的能力。为了实现生物质的溶胀，必须破坏多个纤维素氢键。因此，预期溶解的水会影响IL作为生物质处理溶剂的性能。IL中可容许的水含量可能在两个方面影响处理方法的经济情况。首先，它决定了在可以将IL重复使用之前IL必须达到的干燥程度。其次，它决定了在与IL一起孵育期间生物质必须达到的干燥程度。
在水解500后，可以将酶从水解反应器中回收并且再循环。在将IL再循环之前未必将洗涤溶剂(水)完全去除。许多其它处理方法不适合于容易地回收在处理中使用的化学品。在使用适当的酶混合物进行的能够使经过预处理的生物质中的所有碳水化合物转化成糖的水解(糖化)后，在糖化反应器中留下的大部分固体代表生物质的木质素部分。这提供了从生物质中回收木质素的方法700。此外，对水解产物的液体部分进行超滤提供了一种从糖溶液中回收水解酶以供重复使用的手段，所述糖溶液是生产多种燃料和化学品的前体700。
在使用IR和离子液体进行的处理方法后继而可以进行水解(糖化技术)500，这允许以糖化后固体残余物的形式回收生物质中的木质素700。最终，可以使在处理生物质300后获得的水解产物中的糖在没有进一步调节和由水解产物中任何残余的痕量IL所带来的不利影响的情况下转化600成燃料乙醇或其它生物产品，如乳酸。对这种残余物进行进一步化学/生化处理可以产生可以用于生产燃料、化学品、聚合物以及其它材料的化合物。
图8B示出了执行本发明方法的步骤的示例性系列。
可以将以下代表性离子液体中的一种与生物质的小粒子101(例如，干玉米秸或白杨(-20+80筛目尺寸的粒子)]接触不同的时间(约5分钟至8小时)以使用IL使所述生物质溶胀201：1-正丁基-3-甲基氯化咪唑鎓(BMIMCl)/1-正乙基-3-甲基咪唑乙酸盐(EMIMAc)/1-乙基-3-甲基咪唑丙酸盐(EMIMPr)/1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑鎓/3-甲基-N-丁基氯化吡啶鎓。可以通过以下步骤对被IL溶胀的生物质进行加热：首先进行电磁(EM)(例如，红外)加热以达到目标温度或温度范围(例如50℃-220℃)301，然后使用超声波、电磁(EM)(例如，红外加热)、对流加热、传导加热或其组合在约50℃至200℃下加热5-45分钟或3-4小时302。可以通过使用传感器对条件进行监测并且对所述条件进行调节以维持条件301302。可以对所述条件进行监测和调节以维持红外(IR)能量对生物质均匀的加热和充分的穿透。可以重复步骤201、301、302和/或401。此外，可以分批或连续形式进行步骤301、302和/或401。
然后可以使经过处理的生物质与代表性洗涤溶剂中的一种，即甲醇/乙醇/水/乙腈/丁醇/丙醇接触401。洗涤溶剂与IL混合(按所有比例)并且因此能够将它从孵育的生物质中提取出。然后可以通过离心将经过处理的生物质与离子液体/洗涤溶剂溶液分离。然后可以使用纤维素酶系统将脱去IL的生物质水解501。可以经由合适的分离方法将IL从来自洗涤步骤的洗涤溶剂和任何溶解的生物质组分中回收，所述分离方法包括以下至少一种：活性炭处理、蒸馏、膜分离、电化学分离技术、固相萃取、液-液萃取或其组合。然后可以使离子液体再循环回到处理罐中。也可以使洗涤溶剂再循环回以重复用于洗涤与IL一起孵育的生物质。还可以通过红外加热使洗涤溶剂脱水来使洗涤溶剂脱水，从而驱除水，留下脱水的IL 701。
可以通过将洗涤溶剂(乙醇和/或水)从具有极低挥发性的IL中蒸发来将IL从IL/洗涤溶剂混合物中回收400。然后可以在不进行另外的清洁步骤的情况下将回收的IL用于在恒定处理条件下进行的后续生物质处理循环中。所述方法允许反复地重复使用IL而进行最低限度的清洁，这可以使得IL处理的成本节约增加。
在水解501后，可以将酶从水解反应器中回收并且再循环。在将IL再循环之前未必将洗涤溶剂(水)完全去除。许多其它处理方法不适合于容易地回收在处理中使用的化学品。在使用适当的酶混合物进行的能够使经过预处理的生物质中的所有碳水化合物转化成糖的水解(糖化)后，在糖化反应器中留下的大部分固体代表生物质的木质素部分。这提供了从生物质中回收木质素的方法700。此外，对水解产物的液体部分进行超滤提供了一种从糖溶液中回收水解酶以供重复使用的手段，所述糖溶液是生产多种燃料和化学品的前体700。
当前使用红外加热和离子液体进行处理，任选地继而进行水解(糖化技术)500的方法允许以糖化后固体残余物的形式回收生物质中的木质素700。最终，可以使在处理生物质301、302后获得的水解产物中的糖在没有进一步调节和由水解产物中任何残余的痕量IL所带来的不利影响的情况下转化600成燃料乙醇或其它生物产品，如乳酸。对这种残余物进行进一步化学/生化处理可以产生可以用于生产燃料、化学品、聚合物以及其它材料的化合物。
图8C示出了执行本发明方法的步骤的示例性系列。
可以将生物质102与离子液体(例如，1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑鎓)混合不同的时间(例如，约5分钟至8小时)以使所述生物质溶胀202。可以将酸，任选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸添加到被IL溶胀的生物质中以实现酸性pH值，任选地pH约1、2、3、4、5或6或低于pH7，然后加热800。可以通过以下步骤对被IL溶胀的生物质进行加热：首先进行电磁(EM)(例如，红外)加热以达到目标温度或温度范围(例如，50℃-220℃)，然后使用超声波、电磁(EM)(例如，射频、红外)、对流、传导加热或其组合在约50℃至200℃(例如，100℃、120℃)下加热5-45分钟或3-4小时。可以通过使用传感器对条件进行监测并且对这些条件进行调节以维持条件。可以对所述条件进行监测和调节以维持红外(IR)加热对生物质均匀的加热和充分的穿透。可以重复步骤102、202和/或800。此外，可以分批或连续形式进行步骤102、202和/或800。此外，可以添加碱(例如，NaOH、KOH)以在酸解处理后中和被IL溶胀的生物质。
还可以通过红外(IR)加热使洗涤溶剂脱水，从而驱除水，留下脱水的IL来使离子液体脱水702。
在酸解800后，可以使糖转化600成燃料乙醇或其它生物产品，如乳酸。另外，可以使包含木质素的残余固体转化成其它产品700。对这种残余物进行进一步化学/生化处理可以产生可以用于生产燃料、化学品、聚合物以及其它材料的化合物。
图8D示出了执行本发明方法的步骤的示例性系列。
可以将生物质103与离子液体混合203并且可以使生物质在离子液体中溶解204。可以通过以下步骤对生物质/IL溶液进行加热：首先进行电磁(EM)(例如，射频)加热303以达到目标温度或温度范围(例如，50℃-220℃)，然后使用超声波、电磁(EM)(例如，红外)、对流加热、传导加热或其组合在约50℃至200℃(例如，120℃、130℃、140℃、150℃)下加热1-180分钟或3-4小时304。可以通过使用传感器对条件进行监测并且对这些条件进行调节以维持条件。可以对所述条件进行监测和调节以维持红外加热对生物质均匀的加热和充分的穿透。可以使用反溶剂，任选地水、乙醇、甲醇、丙酮或其混合物使生物质再生205。可以洗涤再生的生物质205。可以将IL回收并且重复使用703。可以使再生的生物质进行水解(例如，添加纤维素酶和半纤维素酶)以使纤维素和半纤维素水解成它们的构成单糖(例如，五碳糖和六碳糖)，任选地回收所添加的酶502。可以分离包含糖的水解产物流和包含蛋白质和木质素的残余固体，所述水解产物流用于进行进一步处理以生产化学品或生物燃料600，所述残余固体用于进行进一步处理以生产化学品或生物燃料700。
设备
图5示出了用于执行本发明方法的步骤的示例性设备和系统。
图5A是连续压带机式射频生物质处理系统的示意图。在这个实施方案中，使生物质在顶部电极与底部电极之间通过，其中对生物质进行射频加热。在生物质或容器中，光纤传感器监测生物质的热和射频能量的穿透。这些光纤传感器与监测系统连接，从而允许对生物质的热和射频能量的穿透进行监测，所述生物质的热和射频能量的穿透可以相应地进行调节以维持射频能量对生物质均匀的加热和充分的穿透。在图5A中，可以在容器中将生物质与离子液体混合，然后使包括与离子液体混合的生物质的容器移动到包括顶部电极和底部电极的设备中，所述顶部电极和底部电极使用射频加热对与离子液体混合的生物质进行加热。空气分配箱允许对系统中的压力和空气温度进行进一步调节。本文所述的方法可以是分批方法，例如，可以将生物质与离子液体混合/制浆，然后转移(例如，经由输送带)到第二设备中，在所述第二设备中，使用RF波对它进行加热。
在图5B中，可以将生物质101送入到包括阿基米德螺旋的长管道中以使生物质沿该管道移动通过三个区域。在第一区域(混合区)中，将生物质与离子液体混合以形成生物质/离子液体201。然后将被IL溶胀的生物质移到第二区域中，在所述第二区域中对该被IL溶胀的生物质进行可变RF加热301。在可变RF加热后对生物质进行洗涤401，任选地回收离子液体以重复使用。本文所述的方法可以是连续方法，例如，可以将生物质与离子液体混合/制浆，然后转移到第二区域中，在所述第二区域中，用RF波对它进行处理。
生物反应器
本发明还提供了一种用于处理生物质的系统，所述系统包括反应器皿，所述反应器皿与传感器网络连接，所述传感器网络与反馈装置连接以控制反应器皿内部的时间、温度、压力以及水含量。
虽然关于本发明中所用的机器给出了某些制造商、型号名称以及编号，但可以用其它机器替代，如由本领域技术人员所了解。
虽然关于温度、输送机速度、电磁(EM)(例如，射频、红外)波的强度以及压力特征提供了某些范围，但这些可以基于所需的具体体积、空间要求以及其它需要而变化。在阅读了本说明书后，本领域技术人员将了解可以在已知具体处理装备的设施和总体工艺参数后对这些变量的工作或最佳数目作出选择。
另外，虽然公开了用于控制被IL溶胀的生物质的温度的优选系统，但这些可以变化。这些可以通过根据能源成本、设施布局等正常设施考虑因素进行替换而变化，并且一般来说，在工艺中使用的温度值容许因例如环境设施温度和其它相关因素的变化所引起的一定程度的持续变化。
本说明书中提到的所有出版物(例如，非专利文献)、专利、专利申请公布以及专利申请均指示了本发明所属领域的技术人员的技术水平。所有这些出版物(例如，非专利文献)、专利、专利申请公布以及专利申请以引用方式并入本文，所述引用的程度就如同每一篇单独的出版物、专利、专利申请公布或专利申请被明确地且单独地指示为以引用方式并入一般。
虽然可以在本发明或测试本发明中使用与本文所述的方法和材料相似或等同的方法和材料，但在本文描述了合适的方法和材料。这些材料、方法以及实例仅是说明性的，并且不意图具有限制性。
现在已大体上对本发明进行了描述，通过参考以下实施例，将更容易理解本发明，包括所述实施例仅仅是为了说明本发明的某些方面和实施方案，而不意图限制本发明。
实施例
实施例1
用于处理原料的方法
用于处理生物质的方法包括将原料与离子液体接触以形成均匀的溶液(悬浮液)以及将它转移(例如，注入)到封闭的可变电磁(EM)波装置中。在施加RF的情况下，将对生物质中的温度进行监测并且将改变RF频率以进行调节来实现RF装置生物质处理单元内均匀的温度分布。
本文公开的生物质处理方法使用离子对生物质/产品进行加热，所述离子由于因施加RF(例如，27MHz)所引起的偶极移动而连续得到加热。这由于分子之间因离子的偶极加热所引起的摩擦相互作用而在整个产品内产生快速的均匀的体积加热。虽然在它的加热特征方面与微波相同，但射频的附加优势在于均匀的，并且最重要的是，高的穿透深度，所述穿透深度可以被用于对液体产品进行巴氏灭菌或灭菌。对于RF加热，穿透深度一般大于1m，并且可以由体现介电常数、损耗因子、真空中的波传播速度以及操作频率的关系式来确定(Orfeuil,1987)。根据生物质的浓度、离子液体和它们的比率以及温度，在射频范围内，对生物质的穿透深度可以在0.2m至2.1m范围内变动。
用于利用RF装置使用离子液体对生物质进行处理的设备的优选实施方案的示意图示于图2和图5中。
实施例2
使用红外辐射对生物质进行预处理
对于离子液体生物质预处理，惊人地发现红外辐射加热比常规的传导/对流模式加热反应器/腔室更有效。在红外加热的情况下，离子液体预处理的处理时间比常规的传导/对流模式预处理反应器缩短了约40％至90％。
简单的传导/对流预处理耗时约150分钟的处理时间以从经过IL处理的小麦秸的酶促水解释放适量的单糖，而红外辐射模式预处理可以在15分钟预处理的处理时间内实现相似的结果(表1)，出人意料地缩短了处理时间。
此外，先进行生物质离子液体预处理的红外模式处理与后进行传导/对流模式处理的组合令人惊讶地使得总预处理时间缩短。离子液体生物质预处理的15分钟的红外处理，继而15分钟的对流处理使得在酶促水解期间产生97％的葡聚糖和61％的木聚糖(表1)。在常规的传导/对流模式处理的情况下，它需要150分钟的处理来从小麦秸中释放87％的葡聚糖和60％的木聚糖(表1)。
表1：从经过离子液体预处理的小麦秸的酶促水解观测到的葡聚糖和木聚糖的转化百分比。
对于松树，在IR-传导/对流模式处理的组合情况下，与只进行常规的对流模式处理相比，观测到相似的约40％的处理时间方的改进(表2)。
表2：从经过离子液体预处理的松树的酶促水解观测到的葡聚糖和木聚糖的转化百分比。
总之，这些出人意料的结果证明对被IL溶胀的生物质使用红外加热与传导/对流加热相比使得处理时间出现惊人的缩短并且使水解后糖的产率出现惊人的增加。
实施例3
红外蒸发/干燥/浓缩系统
一种用于使离子液体脱水/干燥的方法包括接触稀IL水溶液的浆料以及使其在封闭的可变IR装置中循环。经由IR装置抽拉热空气/真空以去除汽化的水并且另外，通过使这一蒸汽穿过热交换器而使它冷凝以进行水的重新使用和热整合。本发明利用了显著减少量的热空气/真空干燥和IR干燥器以及占地空间要求来使离子液体干燥/脱水。因此，使用IR通过薄金属条/带电极进行高效且快速的加热处理。这种方法提供了离子液体的快速干燥，从而使大体积离子液体浓缩的空间和能量需求减到最低程度。
图6和图7描绘了在使用IR蒸发/干燥/脱水/蒸发单元浓缩IL(从50％的初始IL浓度)期间随时间所获得的IL浓度百分比的图表。惊人地，浓缩离子液体所需的时间可以通过减小/增加入射的辐射能与波长之间的距离而大幅缩短/延长。因此，IR浓缩设备可以被修改/使之适应用于通过改变IR频率和辐射距离来浓缩不同的离子液体浓度。可以对这些参数进行调整以在所需的目标时间内实现浓缩。
本领域技术人员仅使用常规的实验就将认识到或能够确定在本文所描述的本发明的具体实施方案的多个等同方案。这些等同方案意在由以下权利要求书所涵盖。

Claims (126)

1.一种用于对生物质进行处理的方法，所述方法包括将生物质与离子液体(IL)混合以使所述生物质溶胀以及对所述溶胀的生物质进行电磁(EM)加热，优选地射频(RF)加热或红外(IR)加热。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述生物质是农业残余物，优选地玉米秸、小麦秸、甘蔗渣、稻壳或稻秸；木材和森林残余物，优选地松树、白杨、花旗松、橡树、锯末、纸/纸浆废液或木纤维；藻类；野葛；煤；纤维素、木质素、草本能源作物，优选地柳枝稷、草芦或芒属植物；木质纤维素生物质，优选地包含木质素、纤维素以及半纤维素；植物生物质；或其混合物。
3.如权利要求1所述的方法，其中加热包括至少两个阶段，第一个阶段包括施加电磁(EM)加热，优选地电磁波谱中的变频、变频加热、红外(IR)加热、可变(IR)加热、射频(RF)加热或其组合，并且第二个阶段包括施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述超声波、电磁(EM)，优选地射频或红外加热、对流加热、传导加热或其组合的施加持续约至少3-30分钟、5-30分钟或3-4小时。
5.如权利要求1所述的方法，其中以100-1000W、1KW-10KW或5KW-1MW的功率施加所述电磁能。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述射频包含约1-900MHz、300kHz-3MHz、3-30MHz、30-300MHz、13、13.56、27、27.12、40或40.68MHz的频率。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述射频加热穿透所述生物质达约0.001至2.0米的厚度。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述红外加热穿透所述生物质达约0.001至2.0米的厚度。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中将所述生物质加热到至少约1-300℃、50℃-100℃、60℃-130℃、80℃-175℃、100℃-240℃、90℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃或150℃的温度。
10.如权利要求1所述的方法，其中用射频将所述生物质处理至少约1分钟至100小时、至少5-10秒、1-30分钟、5-30分钟或20-240分钟、1-60分钟、1-24小时、5-10分钟、5-30分钟、10-50分钟、5分钟至3小时、1-3小时、2-4小时、3-6小时或4-8小时。
11.如权利要求1所述的方法，其中用红外加热将所述生物质处理至少约1分钟至100小时、至少5-10秒、1-30分钟、5-30分钟或20-240分钟、1-60分钟、1-24小时、5-10分钟、5-30分钟、10-50分钟、5分钟至3小时、1-3小时、2-4小时、3-6小时或4-8小时。
12.如权利要求1所述的方法，其中用红外加热将所述生物质处理至少约1分钟至100小时、至少5-10秒、1-30分钟、5-30分钟或20-240分钟、1-60分钟、1-24小时、5-10分钟、5-30分钟、10-50分钟、5分钟至3小时、1-3小时、2-4小时、3-6小时或4-8小时。
13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括洗涤所述经过处理的生物质。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述洗涤包括使用可与水和所述离子液体(IL)混溶的纤维素的液体非溶剂对所述生物质进行洗涤。
15.如权利要求14所述的方法，其中用于洗涤的所述液体非溶剂是水、醇、乙腈或溶解所述IL并且因此从所述生物质提取所述IL的溶剂。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述醇是乙醇、甲醇、丁醇、丙醇或其混合物。
17.如权利要求15所述的方法，其中通过选自以下的方法从所述液体非溶剂中回收所述离子液体：活性炭处理、蒸馏、膜分离、电化学分离技术、固相萃取、液-液萃取或其组合中的一种或多种。
18.如权利要求15所述的方法，其中通过施加使所述离子液体脱水的电磁加热，优选地射频加热或红外加热以从所述液体非溶剂中回收所述离子液体。
19.如权利要求1-18中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括重新使用所述回收的IL以对更多的生物质进行处理，优选地其中回收至少90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的所述IL。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述离子液体具有不超过以下的水含量：约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或25％。
21.如权利要求1-20中任一项所述的方法，其中所述方法包括将所述生物质在足量的离子液体(IL)中孵育足够的时间以使所述生物质溶胀。
22.如权利要求1-21中任一项所述的方法，其中对所述生物质在搅拌下进行另外的加热、超声波加热、电磁(EM)加热，优选地射频加热或红外加热、对流加热、传导加热、微波辐射或其组合，优选地在加热期间进行间歇搅拌。
23.如权利要求1-22中任一项所述的方法，其中所述离子液体在约10℃至160℃范围内的温度下熔融并且包含阳离子或阴离子。
24.如权利要求1所述的方法，其中所述离子液体包含阳离子结构，所述阳离子结构包括铵、锍、鏻、锂、咪唑鎓、吡啶鎓、甲基吡啶鎓、吡咯烷鎓、噻唑鎓、三唑鎓、噁唑鎓或其组合。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述离子液体包含选自以下的阳离子：咪唑鎓、吡咯烷鎓、吡啶鎓、鏻、铵或其组合。
26.如权利要求1所述的方法，其中所述离子液体(IL)是1-正丁基-3-甲基氯化咪唑鎓、1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑鎓、3-甲基-N-丁基氯化吡啶鎓、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑丙酸盐或其组合。
27.如权利要求1-26中任一项所述的方法，其中所述方法是连续工艺。
28.如权利要求1-26中任一项所述的方法，其中所述方法是分批工艺。
29.如权利要求1-26中任一项所述的方法，其中借助于传感器，优选地液体流速传感器、热电偶传感器、温度传感器、盐度传感器或其组合对所述生物质经受射频(RF)加热的所述条件进行监测。
30.如权利要求1-26中任一项所述的方法，其中借助于传感器，优选地液体流速传感器、热电偶传感器、温度传感器、盐度传感器或其组合对所述生物质经受红外(IR)加热的所述条件进行监测。
31.如权利要求1-30中任一项所述的方法，其中所述方法包括调节离子液体的量、孵育时间或所述生物质的温度。
32.如权利要求1-31中任一项所述的方法，其中不使所述生物质在所述离子液体中溶解。
33.如权利要求1-31中任一项所述的方法，其中使所述生物质在所述离子液体中溶解。
34.如权利要求33所述的方法，其中通过使用反溶剂使所述溶解的生物质，优选地纤维素或半纤维素再生。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述反溶剂是水、甲醇、乙醇、乙酸酯或其混合物。
36.如权利要求1-35中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括使用生化试剂，优选地酶处理所述经过处理的生物质，以使所述纤维素和半纤维素转化成糖，优选地己糖和戊糖。
37.如权利要求36所述的方法，其中用于转化所述纤维素和半纤维素的所述生化试剂是酶，任选地半纤维素酶、纤维素酶、内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶以及1-β-葡糖苷酶的酶混合物。
38.如权利要求36所述的方法，其中所述纤维素酶是纤维二糖水解酶、内切纤维素酶、外切纤维素酶、纤维二糖酶、内切-β-1,4-葡聚糖酶、β-1,4-葡聚糖酶或其混合物。
39.如权利要求36所述的方法，其中所述半纤维素酶是昆布多糖酶、地衣多糖酶、木聚糖酶或其混合物。
40.如权利要求36所述的方法，其中所述酶混合物进一步包含木聚糖酶、阿拉伯聚糖酶或其混合物。
41.如权利要求36所述的方法，其中所述生化试剂是嗜热性酶，优选地在高达约70℃下具有活性的酶。
42.如权利要求36所述的方法，其中将所述生物质加热到至少约50℃-100℃、40℃、55℃或70℃。
43.如权利要求36所述的方法，其中将所述糖转化成可再生的燃料、化学品和材料，优选地乙醇、丁醇、乳酸、汽油、生物柴油、甲烷、氢气、电力、塑料、复合材料、蛋白质、药物、肥料或它们的其它组分。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述化学品是丁二酸、甘油、3-羟基丙酸、2,5-二甲基呋喃(DMF)、5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛、2,5-呋喃二甲酸、衣康酸、乙酰丙酸、醛、醇、胺、对苯二甲酸、己二胺、异戊二烯、聚羟基烷酸酯、1,3-丙二醇或其混合物。
45.如权利要求1-44中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括回收所述酶。
46.如权利要求1-44中任一项所述的方法，其中所述处理产生包含木质素的固体残余物。
47.如权利要求46所述的方法，其中将所述木质素转化成燃料、化学品、聚合物或其混合物。
48.如权利要求1-47中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括使用化学试剂处理所述经过处理的生物质以使所述纤维素和半纤维素转化成糖，优选地己糖和戊糖。
49.如权利要求48所述的方法，其中将所述糖转化成化学品，优选地丁二酸、甘油、3-羟基丙酸、2,5-二甲基呋喃(DMF)、5-羟甲基糠醛(HMF)、糠醛、2,5-呋喃二甲酸、衣康酸、乙酰丙酸、醛、醇、胺、对苯二甲酸、己二胺、异戊二烯、聚羟基烷酸酯、1,3-丙二醇或其混合物。
50.一种用于破坏木质纤维素生物质的结构的方法，所述方法包括将生物质在离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀以及施加射频(RF)加热和超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合。
51.一种用于使生物质的碳水化合物转化成糖的方法，所述方法包括：
(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；
(b)对所述生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，优选地50℃-220℃；
(c)对所述生物质施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；
(d)洗涤所述经过处理的生物质；
(e)使所述经过处理的生物质水解产生糖，优选地戊糖和己糖，并且释放蛋白质和木质素。
52.一种用于使纤维素转化成糖的方法，所述方法包括
(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；
(b)对所述生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，优选地50℃-220℃；
(c)对所述生物质施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；
(d)通过与反溶剂混合使无定形纤维素和/或结晶度降低的纤维素沉淀；以及
(e)在促进纤维素水解成糖的条件下将纤维素酶添加到所述纤维素沉淀物中。
53.一种用于对生物质进行处理的方法，所述方法包括
(a)在足够的时间内和足够的温度下将生物质在足量的离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀，优选地没有使所述生物质在所述IL中溶解；
(b)对所述生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，优选地50℃-220℃；
(c)对所述生物质施加超声波加热以将所述生物质维持在所述目标温度范围；
(d)使用可与水和所述IL混溶的纤维素的液体非溶剂对所述经过处理的生物质进行洗涤；以及
(e)使所述经过处理且洗涤过的生物质与包含酶的水性缓冲液接触，所述酶能够使纤维素和半纤维素水解产生糖，优选地己糖和戊糖。
54.一种用于破坏木质纤维素生物质的结构的方法，所述方法包括将生物质在离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀以及施加红外(IR)加热和超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合。
55.一种用于使生物质的碳水化合物转化成糖的方法，所述方法包括：
(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；
(b)对所述生物质施加无线红外(IR)加热以加热到目标温度范围，优选地50℃-220℃；
(c)对所述生物质施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；
(d)洗涤所述经过处理的生物质；
(e)使所述经过处理的生物质水解产生糖，优选地戊糖和己糖，并且释放蛋白质和木质素。
56.一种用于使纤维素转化成糖的方法，所述方法包括
(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；
(b)对所述生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，优选地50℃-220℃；
(c)对所述生物质施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；
(d)通过与反溶剂混合使无定形纤维素和/或结晶度降低的纤维素沉淀；以及
(e)在促进纤维素水解成糖的条件下将纤维素酶添加到所述纤维素沉淀物中。
57.一种用于对生物质进行处理的方法，所述方法包括
(a)在足够的时间内和足够的温度下将生物质在足量的离子液体(IL)中孵育以使所述生物质溶胀，优选地没有使所述生物质在所述IL中溶解；
(b)对所述生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，优选地50℃-220℃；
(c)对所述生物质施加超声波加热以将所述生物质维持在所述目标温度范围；
(d)使用可与水和所述IL混溶的纤维素的液体非溶剂对所述经过处理的生物质进行洗涤；以及
(e)使所述经过处理且洗涤过的生物质与包含酶的水性缓冲液接触，所述酶能够使纤维素和半纤维素水解产生糖，优选地己糖和戊糖。
58.如权利要求50-57中任一项所述的方法，其中用于洗涤的所述液体非溶剂是水、醇、乙腈或溶解所述IL并且因此从所述生物质提取所述IL的溶剂。
59.如权利要求58所述的方法，其中所述醇是乙醇、甲醇、丁醇、丙醇或其混合物。
60.如权利要求50-57中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括通过选自以下的方法将所述IL从所述液体非溶剂中回收：活性炭处理、蒸馏、膜分离、电化学分离技术、固相萃取、液-液萃取或其组合。
61.如权利要求50-57中任一项所述的方法，其中所述处理产生包含蛋白质和木质素的固体残余物。
62.如权利要求61所述的方法，其中将所述木质素转化成燃料、化学品、聚合物或其混合物。
63.如权利要求50-57中任一项所述的方法，其中将所述洗涤液回收并且用RF加热处理以使所述离子液体脱水。
64.如权利要求50-57中任一项所述的方法，其中将所述洗涤液回收并且用红外(IR)加热处理以使所述离子液体脱水。
65.一种使生物质酸解的方法，所述方法包括
(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；
(b)添加酸，优选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，优选地将所述生物质的pH值降低到低于pH 7，优选地pH 1-6；
(c)对所述生物质施加射频(RF)加热以加热到目标温度范围，优选地50℃-220℃；
(d)对所述生物质施加超声波加热、电磁(EM)加热、对流加热、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；
(e)优选地洗涤所述经过处理的生物质；以及
(f)回收糖，优选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
66.一种使生物质酸解的方法，所述方法包括
(a)将生物质在离子液体(IL)中混合以使所述生物质溶胀；
(b)添加酸，优选地硫酸、盐酸、硝酸或磷酸，优选地将所述生物质的pH值降低到低于pH 7，优选地pH 1-6；
(c)对所述生物质施加红外(IR)加热以加热到目标温度范围，优选地50℃-220℃；
(d)对所述生物质施加超声波加热、电磁(EM)加热、对流加热、传导加热或其组合以将所述生物质维持在所述目标温度范围；
(e)优选地洗涤所述经过处理的生物质；以及
(f)回收糖，优选地戊糖和己糖，并且释放木质素。
67.如权利要求65或66所述的方法，其中所述方法进一步包括添加碱，优选地NaOH或KOH以中和所述生物质的pH值。
68.如权利要求65或66所述的方法，其中所述生物质是农业残余物，优选地玉米秸、小麦秸、甘蔗渣、稻壳或稻秸；木材和森林残余物，优选地松树、白杨、花旗松、橡树、锯末、纸/纸浆废液或木纤维；藻类；煤；纤维素、木质素、草本能源作物，优选地柳枝稷、草芦或芒属植物；木质纤维素生物质，优选地包含木质素、纤维素以及半纤维素；植物生物质；或其混合物。
69.如权利要求65或66所述的方法，其中所述pH值是约1、2、3、3.5、4、4.5、5、5.5、5.8、6、6.5或6.8、1-3、2-4、3-5、2-6、3.5-4.5或4-6。
70.如权利要求65或66所述的方法，其中所述温度是约120℃、130℃、140℃、150℃、120℃-150℃、130℃-140℃或100℃-150℃。
71.如权利要求54-70中任一项所述的方法，其中加热包括至少两个阶段，第一个阶段包括施加射频加热、电磁加热，通过使用电磁波谱中的变频进行的加热、变频加热或其组合，并且第二个阶段包括施加超声波、电磁(EM)、对流、传导加热或其组合。
72.如权利要求71所述的方法，其中所述射频的施加持续约至少5-10秒、1-30分钟或20-240分钟。
73.如权利要求71所述的方法，其中所述红外(IR)加热的施加持续约至少5-10秒、15分钟、5-45分钟或20-240分钟。
74.如权利要求71所述的方法，其中所述超声波、电磁(EM)，优选地射频或红外加热、对流加热、传导加热或其组合的施加持续约至少3-30分钟或3-4小时。
75.如权利要求54-74中任一项所述的方法，其中以100-1000W、1KW-10KW或5KW-1MW的功率施加所述电磁能。
76.如权利要求54-74中任一项所述的方法，其中所述射频包含约1-900MHz、300kHz-3MHz、3-30MHz、30-300MHz、13、13.56、27、27.12、40或40.68MHz的频率。
77.如权利要求54-74中任一项所述的方法，其中所述RF穿透所述生物质达约0.001至2.0米的厚度。
78.如权利要求54-74中任一项所述的方法，其中所述红外穿透所述生物质达约0.001至2.0米的厚度。
79.如权利要求54-74中任一项所述的方法，其中将所述生物质加热到至少约1-300℃、50℃-100℃、60℃-130℃、80℃-175℃或100℃-240℃的温度。
80.如权利要求54-74中任一项所述的方法，其中用RF将所述生物质处理至少约1分钟至100小时、1-60分钟、1-24小时、5-10分钟、10-50分钟、5-30分钟、5分钟至3小时、1-3小时、2-4小时、3-6小时或4-8小时。
81.如权利要求54-74中任一项所述的方法，其中用红外加热将所述生物质处理至少约1分钟至100小时、1-60分钟、1-24小时、5-10分钟、10-50分钟、5-30分钟、5分钟至3小时、1-3小时、2-4小时、3-6小时或4-8小时。
82.如权利要求54-81中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括洗涤所述经过处理的生物质。
83.如权利要求82所述的方法，其中所述洗涤包括使用可与水和所述IL混溶的纤维素的液体非溶剂对所述生物质进行洗涤。
84.如权利要求83所述的方法，其中用于洗涤的所述液体非溶剂是水、醇、乙腈或溶解所述IL并且因此从所述生物质提取所述IL的溶剂。
85.如权利要求84所述的方法，其中所述醇是乙醇、甲醇、丁醇、丙醇或其混合物。
86.如权利要求84所述的方法，其中通过选自以下的方法从所述液体非溶剂中回收所述离子液体：活性炭处理、蒸馏、膜分离、电化学分离技术、固相萃取、液-液萃取或其组合中的一种或多种。
87.如权利要求84所述的方法，其中通过施加使所述离子液体脱水的电磁加热，优选地射频能量以从所述液体非溶剂中回收所述离子液体。
88.如权利要求54-87中任一项所述的方法，所述方法包括重新使用所述回收的IL以对更多的生物质进行处理的另外的步骤，优选地其中回收至少90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％或99％的所述IL。
89.如权利要求88所述的方法，其中所述离子液体具有不超过以下的水含量：约1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、21％、22％、23％、24％或25％。
90.如权利要求88所述的方法，其中所述方法包括将所述生物质在足量的离子液体(IL)中孵育足够的时间以使所述生物质溶胀。
91.如权利要求54-90中任一项所述的方法，其中不使所述生物质在所述离子液体中溶解。
92.如权利要求54-90中任一项所述的方法，其中通过使用反溶剂使溶解的纤维素再生。
93.如权利要求54-90中任一项所述的方法，其中对所述生物质在搅拌下进行另外的加热、超声波加热、电磁(EM)加热，优选地射频或红外加热、对流加热、传导加热、微波辐射或其组合，优选地在加热期间进行间歇搅拌。
94.如权利要求54-90中任一项所述的方法，其中所述离子液体在约10℃至160℃范围内的温度下熔融并且包含阳离子或阴离子。
95.如权利要求54-90中任一项所述的方法，其中所述离子液体包含阳离子结构，所述阳离子结构包括铵、锍、鏻、锂、咪唑鎓、吡啶鎓、甲基吡啶鎓、吡咯烷鎓、噻唑鎓、三唑鎓、噁唑鎓或其组合。
96.如权利要求95所述的方法，其中所述离子液体包含选自以下的阳离子：咪唑鎓、吡咯烷鎓、吡啶鎓、鏻、铵或其组合。
97.如权利要求54-90中任一项所述的方法，其中所述离子液体(IL)是1-正丁基-3-甲基氯化咪唑鎓、1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑鎓、3-甲基-N-丁基氯化吡啶鎓、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑丙酸盐或其组合。
98.如权利要求54-97中任一项所述的方法，其中所述方法是连续工艺。
99.如权利要求54-97中任一项所述的方法，其中所述方法是分批工艺。
100.如权利要求54-99中任一项所述的方法，其中使用传感器，优选地液体流速传感器、热电偶传感器、温度传感器、盐度传感器或其组合对所述生物质经受RF处理的所述条件进行监测。
101.如权利要求54-99中任一项所述的方法，其中使用传感器，优选地液体流速传感器、热电偶传感器、温度传感器、盐度传感器或其组合对所述生物质经受红外加热处理的所述条件进行监测。
102.如权利要求54-99中任一项所述的方法，其中所述方法包括调节离子液体的量、孵育时间、所述生物质的pH值以及所述生物质的温度。
103.如权利要求1-102中任一项所述的方法，其中所述红外辐射处在约430THz至300GHz的频率范围。
104.如权利要求1-102中任一项所述的方法，其中所述红外辐射是约0.75-1.4μm的近红外(近IR)波长、约3-8μm的中红外(中IR)波长或约15-1,000μm的远红外(远IR)波长。
105.一种用于处理生物质的系统，所述系统包括
至少一个电磁(EM)烘箱；以及
移动平台，其包括至少一条输送带，所述移动平台被配置成在所述移动平台的第一端处将生物质接收到输送带上，以使所述生物质移动通过电磁(EM)烘箱，从而通过射频处理与离子液体的组合对所述生物质进行处理，并且优选地，包括与反馈系统连接的传感器网络。
106.一种用于处理生物质的系统，所述系统包括
混合区，在所述混合区中将所述生物质与离子液体混合；所述混合区与电磁(EM)处理区，优选地射频处理区连接，所述电磁(EM)处理区包括可变上部电极和固定的下部电极，在所述电磁(EM)处理区中对所述生物质进行电磁(EM)处理，优选地射频处理；所述电磁(EM)处理区与洗涤区连接，在所述洗涤区中对所述生物质进行洗涤，并且优选地，包括与反馈系统连接的传感器网络。
107.一种用于处理生物质的系统，所述系统包括反应器皿，所述反应器皿与传感器网络连接，所述传感器网络与反馈装置连接以控制所述反应器皿内部的时间、温度、压力以及水含量。
108.一种用于使包含离子液体和水的液体混合物脱水的系统，所述系统包括：
至少一个平面表面，所述至少一个表面被配置成辐射红外辐射；
至少一个辐射源，所述辐射源靠近所述平面表面；
至少两个面板条，所述面板条靠近所述表面，所述面板条被平行布置以形成用于所述液体混合物的至少一个通道；以及
至少一个可变电极，所述可变电极被布置成装入所述至少一个通道中的至少一个中，所述可变电极包括一个或多个薄金属条片。
109.如权利要求108所述的系统，其中所述电极金属条包括将流入所述至少一个通道中的所述液体混合物分开的多孔膜层。
110.如权利要求108所述的系统，其中所述系统呈水平配置。
111.如权利要求108所述的系统，其中所述系统呈垂直配置。
112.如权利要求108所述的系统，其中所述至少一个辐射源包括反射器和发射器中的一种。
113.如权利要求108所述的系统，所述系统进一步包括至少一个真空源，所述真空源靠近所述至少一个通道，所述真空源被配置成从所述液体混合物去除水蒸气。
114.如权利要求108所述的系统，其中所述系统是在大气压、真空或惰性条件下操作的。
115.一种用于使包含离子液体和水的液体混合物脱水的系统，所述系统包括：
平面表面，所述平面表面包括一个或多个板；
具有出口的装置，所述出口经由所述平面表面突出，所述装置被配置成沿远离所述平面表面的方向喷出所述液体混合物，其中所述装置被配置成将所述液体混合物喷到距所述出口至少第一距离处；以及
至少一个辐射源，所述辐射源靠近所述平面表面，所述辐射源被配置成在所述液体混合物从所述出口喷出时朝所述液体混合物发出辐射。
116.如权利要求115所述的系统，所述系统进一步包括至少一个真空源，所述真空源靠近所述至少一个辐射源，所述真空源被配置成使距所述出口第二距离的区域中的气体循环，所述第二距离大于或等于所述第一距离。
117.如权利要求116所述的系统，其中所述气体是惰性气体。
118.如权利要求116所述的系统，其中所述气体是空气。
119.如权利要求115所述的系统，其中所述辐射是红外辐射。
120.如权利要求119所述的系统，其中所述一个或多个板可以包含红外辐射吸收材料。
121.如权利要求115所述的系统，其中所述平面表面是圆形的。
122.如权利要求121所述的系统，其中所述出口经由所述平面表面的中央突出。
123.如权利要求122所述的系统，其中所述平面表面是凹形的。
124.如权利要求115所述的系统，其中所述一个或多个板被定位在相对于所述出口的斜面上。
125.如权利要求115所述的系统，其中所述出口包括喷嘴。
126.如权利要求115所述的系统，其中从所述辐射源发出的所述辐射在所述辐射与所述液体混合物相互作用时引起所述液体混合物中的所述水中的至少一些蒸发。
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