[發明專利]一種以木質纖維素為原料聯產乙醇和電能的方法

有效

• 申請號: 201510903013.4
• 申請日: 2015-12-09
• 公開（公告）號: CN105420289B
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發明（設計）人: 趙雪冰;劉德華
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C12P7/10
• 分類號: C12P7/10;H01M8/18
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 李志東

本發明公開了一種以木質纖維素為原料聯產乙醇和電能的方法。該方法是通過采用氧化態雜多酸或其鹽對木質纖維素進行預處理，氧化大部分木質素和半纖維素，使得纖維素可及度顯著提高，有利于進一步轉化為乙醇，而雜多酸或其鹽被還原。將還原態的雜多酸或其鹽在液流式燃料電池中進行放電，獲得電能的同時將還原態的雜多酸或其鹽重新氧化為再生氧化態雜多酸或其鹽并循環用于木質纖維素原料的預處理。本發明公開的方法將木質纖維素的預處理與生物質直接轉化為電能相偶聯，以預處理為“充電”過程，還原態雜多酸或其鹽氧化再生為“放電”過程，從而實現木質纖維素在溫和條件下的乙醇和電能聯產。

技術領域

本發明屬于生物質能源領域，特別涉及一種以木質纖維素為原料聯產乙醇和電能的方法。

背景技術

木質纖維素例如農作物秸稈、林業廢棄物等是自然界中最豐富的有機物質，其是生產第二代燃料乙醇的主要原料。木質纖維素生產燃料乙醇一般需要經過預處理、酶解糖化、發酵和乙醇回收純化等步驟。其中，預處理是纖維乙醇生產的一個關鍵步驟，其主要目的是提高纖維素的酶解性能，使纖維素能夠有效糖化為葡萄糖。目前已經開發了多種預處理方法，例如稀酸預處理、堿處理、氧化預處理、有機溶劑預處理等。而這些預處理方法的主要目的是通過脫除半纖維素和木質素從而提高纖維素的可及度。除有機溶劑預處理外，其他化學預處理方法中所使用的試劑往往在預處理后即作為廢液排放，并未進行回收和循環使用，造成一定程度的環境污染。

另一方面，木質纖維素原料也可以用于發電。傳統木質纖維素發電方法是將木質纖維素燃燒或與煤一起混燃后產生蒸汽，再驅動蒸汽輪機發電，或者將木質纖維素原料氣化后得到合成氣，再進一步驅動燃氣輪機發電。木質纖維素也可作為燃料通過燃料電池技術發電，但木質纖維素往往需要通過化學或生物法轉化為易于利用的小分子物質，才能作為燃料在燃料電池中產生電能。例如，木質纖維素生物質可通過生物或化學轉化，獲得可被微生物利用的碳源，例如葡萄糖、木糖等可發酵糖類、乙酸等有機酸和酚類化合物，這些化合物進而被微生物燃料電池(MFC)中的產電微生物利用和轉化為電能；木質纖維素原料可通過氣化獲得主要含H2和CO的合成氣，合成氣進一步作為燃料在固體氧化物(SOFC)中轉化為電能；木質纖維素生物質也可先經過熱解炭化獲得生物炭，再進一步作為燃料在直接碳燃料電池(DCFC)中氧化轉化為電能。這些間接利用木質纖維素產生電能的燃料電池技術中，MFC雖然可在低于50℃的溫和條件下進行，但放電速率慢，功率密度往往低于0.5mW/cm2，對于采用難以降解的生物質原料和酚類化合物為燃料時，功率密度更是低于0.05mW/cm2。SOFC采用合成氣為燃料時，可獲得高達1500mW/cm2的功率密度，但SOFC的操作需要在600-900℃的高溫下進行，且合成氣中存在的硫等雜質會造成催化劑失活，降低電池效率。DSFC雖然可直接采用固體碳材料為原料，且功率密度可達900mW/cm2，但燃料(固體碳)與電極和催化劑之間的接觸性差以及嚴重的電極腐蝕是制約DSFC大規模應用的主要瓶頸。此外，這些間接生物質燃料電池需要將外部的生物質轉化系統與燃料電池系統相結合，不僅需要增加額外的設備，過程較為復雜，而且外部的化學和生物轉化造成顯著的損失，從而使得生物質到電能的轉化效率較低。

因此，如能在溫和環境下將木質纖維素轉化為電能一方面可以避免外部轉化系統帶來的流程復雜性，另一方面可以降低損失，獲得更高的理論化學能到電能的轉化率。

發明內容

本發明提供了一種以木質纖維素為原料聯產乙醇和電能的方法，可以實現纖維素和部分半纖維素轉化為乙醇，而木質素和部分半纖維素轉化為電能。

上述目的是通過以下技術方案實現的。

一方面，本發明提供了一種以木質纖維素為原料聯產乙醇和電能的方法，其包括以下步驟：(1)將木質纖維素原料與氧化態雜多酸或其鹽溶液混和進行預處理后，分離得到固體1和含有還原態雜多酸或其鹽的液體1；(2)將步驟(1)得到的固體1用水洗滌后分離，得到固體2和液體2，并將固體2進一步用水洗滌至中性；