JP2015507822A - 燃料電池に用いるためのバイオマスの加工 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国特許仮出願第61/579,568号(2011年12月22日出願)に対する優先権を主張する(上記出願の全開示内容は、参照により本明細書中で援用される)。
図1を参照すると、糖化中、セルロースまたはリグノセルロース系基質は、最初に、無作為位置でエンドグルカナーゼにより加水分解されて、オリゴマー中間体を生じる。これらの中間体は、その場合、グルカナーゼ、例えばセロビオヒドロラーゼを外分解して、セルロースポリマーの末端からセロビオースを生成するための基質である。セロビオースは、グルコースの水溶性1,4‐連結二量体である。最後に、セロビアーゼはセロビオースを切断して、グルコースを生じる。糖化に由来するグルコースまたは他の糖は、本明細書中で詳細に記載されるように、燃料電池に利用され得る。
アノード反応: C6H12O6+24OH−→18H2O+6CO2+18e−
カソード反応: 6O2+12H2O+24e−→24OH−
全体的反応: C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O ΔH=−2830KJ/mol
グルコースの全体的酸化は多数の中間体(例えば、グルコン酸、グルカル酸、ガンマ‐グルコノラクトン、ガンマ‐グルカノラクトン、2‐ケトグルコン酸、アラビノース、トリヒドロキシグルタル酸、酒石酸、ヒドロキシルマロン酸およびシュウ酸)を介して進行するため、これらの中間体のいずれかも燃料電池に用いられ得る。これらの中間体のいずれかは、本明細書中に記載される工程(例えば、糖化、発酵)のいくつかにより生成される場合、燃料電池において電気を発生するのに有用であり得る。任意に、直接糖燃料電池における発電に用いられない糖生成物はいずれも、図2に示されているようにさらに加工処理され、例えばそれらは、アルコールに発酵されて、アルコールは蒸留により単離される。いくつかの場合、燃料電池は、1つの糖、例えばグルコースを用い得るが、他の糖、例えばキシロースを用いず、第二の糖は、その後の工程で用いられ得る。いくつかの他の場合には、一工程、例えば発酵は、1つの糖(例えばグルコース)を用いるだけで、他の糖を残しておき、それは次に、燃料電池で用いられ得る。多くの場合、グルコースの部分酸化だけが直接糖燃料電池で起こる。例えばグルコン酸へのグルコースの参加は、迅速に起きて、2つの電子を提供し、多くても約200KJ/molのエネルギー(例えば、利用可能エネルギーの約7%)を放出する。使用可能なエネルギーに関して、燃料電池は、燃料の少なくとも1%を電気エネルギーに変換する(例えば、少なくとも5%、少なくとも7%、少なくとも10%、少なくとも14%、少なくとも20%、少なくとも25%、少なくとも30%、少なくとも40%、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも90%)。いくつかの場合、燃料の約1%〜90%が電気エネルギーに変換される(例えば、約1%〜70%、約1%〜50%、約1%〜20%、約1%〜10%、約5%〜90%、約5%〜70%、約5%〜50%、約5%〜25%、約5%〜10%、約10%〜90%、約10%〜70%、約10%〜50%、約10%〜30%、約10%〜20%、約20%〜70%)。
機械的処理
放射線処理
音波処理、熱分解、酸化、水蒸気爆発
糖化
糖
発酵
蒸留
***
中間体および生成物
炭水化物含有材料(バイオマス材料)
糖化剤
発酵剤
Claims (22)
- 以下の:
糖化セルロースまたはリグノセルロース系材料を含む糖溶液を、燃料電池に利用すること
を包含する方法。 - 前記燃料電池が、直接糖燃料電池、間接糖燃料電池および生物学的燃料電池からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 糖化の前に、そのネイティブ状態でのセルロースまたはリグノセルロース系材料のものに比して、セルロースまたはリグノセルロース系材料の難分解性が低減される、請求項2に記載の方法。
- 前記材料の前記難分解性の低減方法が、機械的処理、化学的処理、音波処理、熱分解、照射、酸化、水蒸気爆発およびその組合せからなる群から選択される、請求項3に記載の方法。
- 前記材料の難分解性低減方法が、電離放射線で前記材料を照射することを包含する、請求項3記載の方法。
- 照射が少なくとも10Mradの線量での照射を包含する、請求項5記載の方法。
- 電離放射線が電子線照射を包含する、請求項5に記載の方法。
- 前記セルロースまたはリグノセルロース系バイオマスが、以下の:紙、紙製品、紙廃棄物、紙パルプ、着色紙、上塗り紙、被覆紙、充填紙、雑誌、印刷物、印刷用紙、ポリコーティング紙、硬い厚紙、ボール紙、板紙、腐肉、綿、木材、パーティクルボード、林業系廃棄物、おがくず、アスペン材、木材チップ、草、スイッチグラス、ススキ、ミクリ、クサヨシ、穀粒残渣、コメ籾殻、オートムギ籾殻、コムギ籾殻、オオムギ籾殻、農業廃棄物、貯蔵牧草、キャノーラ藁、コムギ藁、オオムギ藁、オートムギ藁、コメ藁、ジュート、麻、亜麻、竹、サイザルアサ、マニラ麻、トウモロコシ穂軸、トウモロコシ飼葉、ダイズ飼葉、トウモロコシ繊維、アルファルファ、干し草、ココヤシ表面毛、糖加工残渣、バガス、ビートパルプ、リュウゼツランバガス、藻類、海藻、堆肥、下水汚物、アラカチャ、ソバ、バナナ、オオムギ、キャッサバ、葛、アンデスカタバミ、サゴヤシ、モロコシ、ジャガイモ、サツマイモ、タロイモ、ヤムイモ、ダイズ、ソラマメ、レンズマメ、エンドウおよびこれらのいずれかの混合物からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 例えば前記材料の嵩密度を低減し、および/またはその表面積を増大するために、セルロースまたはリグノセルロース系材料を機械的に処理することをさらに包含する、請求項1に記載の方法。
- 原文になし
- 前記燃料電池に添加物を利用することをさらに包含する、請求項1に記載の方法。
- 以下の:
電極および糖化セルロースまたはリグノセルロース系バイオマス
を含む燃料電池。 - 発電のための方法であって、以下の:
燃料電池に燃料を提供することであって、前記燃料は処理済みリグノセルロース系材料を糖化することにより生成される、こと
を包含する方法。 - 前記リグノセルロース系材料の前記処理が、音波処理、熱分解、照射、酸化、水蒸気爆発およびその組合せからなる群から選択される、請求項13に記載の方法。
- 前記リグノセルロース系材料を酵素と接触させることをさらに包含する、請求項13に記載の方法。
- 前記酵素がセルラーゼである、請求項15に記載の方法。
- 前記燃料が糖を含む、請求項13に記載の方法。
- 前記糖化処理済みリグノセルロース系材料を発酵させて前記燃料を生成することをさらに包含する、請求項13に記載の方法。
- 前記燃料がアルコールである、請求項18に記載の方法。
- 前記リグノセルロース系材料を処理することが、電離放射線によるリグノセルロース系材料の照射を包含する、請求項14に記載の方法。
- 前記照射が、少なくとも10Mradの線量での前記材料の照射を包含する、請求項20記載の方法。
- 前記電離放射線が電子線を含む、請求項20に記載の方法。
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