基于离子液体的生物质预处理——高效转化制备生物燃料耦合新技术

       生物质已被我国及欧美等发达国家列为长期发展的替代化石资源的战略性可再生资源。

       生物质化学转化主要涉及纤维素、木质素以及半纤维等三大主要成分。实现并推动生物质高效转化研究的关键科学问题是如何在复杂的生物质结构中有效克服组分间/内的化学作用力、 改变三维结构、实现组分分离进而使生物质易于转化利用。传统酸、碱预处理法存在效率低、 污染严重以及纤维素碳化等问题，离子液体法应运而生。 系列创新性成果包括：

       1）研发生物兼容性好、预处理效率高的功能化离子液体。传统生物质处理方法需要完全溶解纤维素，造成高能耗、高物耗、重污染，本人通过引入氨基酸等生物兼容性好的功能化基团，设计合成了多类低毒碱性离子液体（~2$/kg），首次在含水量高（80 wt%）、离子液体浓度低（10 wt%）条件下，克服了生物质结构阻力，成功实现了 对生物质中木质素的靶向作用，木质素去除率高达 80%，糖收率 85-95%（同等条件下稀酸 法木质素去除率 20%，糖收率约为 50%）；突破了基于咪唑类离子液体[C₂C₁Im]X（X=OAc, Cl 等）的主导路线中离子液体成本高（10$/kg）、浓度高（80-90wt%）、对水敏感（体系含水 量≤10wt%）以及毒性高的科学难题，解决了用水除离子液体步骤导致的用水量大（40-70 倍 于离子液体用量）、步骤繁琐及能耗高等技术难题，节省离子液体用量约为 90%。

       2）突破基于离子液体的生物质预处理-高效转化制备生物燃料耦合技术，采用 Feed-batch 手段实现高生物质处理量（30 wt%）（简称高通量）耦合技术，解决了生物质制乙醇非耦合过程用水量高，生物质处理量低及乙醇浓度低等难题，在离子液体/水/生物质用量比为 0.3/3/1 条件下， 获得>40 g/L 乙醇浓度，产品价格（2.8$/gal）与石油基路线相当（~2$/gal）；将 CO₂ 引入耦 合体系（简称 CO₂），利用离子液体吸收解吸 CO₂，解决了单元操作间 pH 匹配及可逆调控难题，离子液体可再生及循环，乙醇收率达到 83%、成本接近石油基路线。上述两项成果均发表于化学化工及资源环境领域顶级期刊 Energy Environ. Sci. (IF=33.2), 2016, 9, 1042-1049; 2016, 9, 2822-2834。

       3）采用低成本（$1/kg）、质子型功能化离子液体，无需调节体系 pH， 即可实现上述耦合过程，乙醇收率达到 70%，研究成果发表于化学化工 top 期刊 Green Chem. (IF=9.4), 2017, 19, 3152-3163。

       4）采用膜分离技术（pervaporation）实现了生物质预处理过程中低浓度离子液体的高效、高选择性分离，回收率达到 99 wt%，为离子液体大规模应用于 生物质处理转化提供了技术支撑，相关工作发表于生物质领域 top 期刊 Biotechnol. Biofuels, 2017, 10:154, 2-9。