《Biomass and Bioenergy》：Biorefining of oil palm frond leaves as a bioenergy source in direct ethanol fuel cell application: Optimization of fermentation process and energy efficiency study via electrochemical analysis
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油棕叶茎碎片经优化预处理（如稀碱处理）后，通过分步水解发酵（SHF）生产生物乙醇，并直接驱动直接乙醇燃料电池（DEFC）。最高乙醇产率达2.42% v/v，发酵效率94.17%，DEFC电压0.447 V，功率密度12.60 mW/cm2，表明油棕叶可作为可再生能源在燃料电池中应用。
Nur Fatin Silmi Mohd Azani | Isabelle Ziegler-Devin | Arnaud Besserer | Nicolas Brosse | M. Hazwan Hussin
材料技术研究小组（MaTReC），马来西亚科学大学化学科学学院，槟城Minden，11800，马来西亚
摘要
生物乙醇是一种有前景的生物能源，适用于燃料电池系统，因为它可以从可再生原料（如油棕叶生物质）中轻松获得。在这项工作中，使用不同的优化预处理方法将油棕叶生物质转化为生物乙醇，随后进行水解和发酵（SHF）。此外，本文还探讨了通过直接乙醇燃料电池（DEFC）系统直接利用生物乙醇发电的绿色方法。在优化的预处理条件下，稀NaOH预处理使预处理后的油棕叶浆料的葡萄糖含量提高了49.88%。BET分析显示，所有预处理后的油棕叶浆料的表面积比未经处理的油棕叶浆料提高了3倍。预处理后油棕叶浆料性能的提高使得生物乙醇产量提高了2.5倍。最佳生物乙醇产量是由稀NaOH预处理的油棕叶浆料N2.5-120-120获得的，其浓度为2.42% v/v，对应的发酵效率为94.17%。电化学分析表明，来自蒸汽爆炸处理后的油棕叶浆料SEA190-10的生物乙醇表现出良好的能量性能，其Vcell（即0.447 V）和Rct（即7.105 Ω cm2）值与分析纯乙醇相当（Vcell：0.415 V & Rct：7.536 Ω cm2）。此外，SEA190-10生物乙醇的燃料利用效率估计为34.90%，燃料电池功率密度为12.60 mW cm?2
引言
近年来，全球碳足迹的增加对地球产生了严重的影响，加速了全球变暖。因此，向可再生能源的转变，例如利用生物质产生的生物能源，将带来显著的环境效益。在马来西亚，油棕种植活动产生了大量的自然资源，如油棕叶生物质。这种生物质每年可从5900万吨油棕叶中获取[1]。使用这种资源将大大减少我们对耗尽的化石资源的依赖，而这些化石资源对环境有害。2021年，化石燃料的燃烧占全球温室气体（GHG）排放总量的71%[2]。生物乙醇等生物燃料是从生物质中提取的可用生物能源之一。作为生物燃料，生物乙醇具有可再生性、高辛烷值带来的优异燃料稳定性，以及比石油燃料更低的温室气体排放量，从而促进了更清洁的燃烧[3]。此外，木质纤维素生物质可以完全用于生产多种高价值的生物产品，有可能替代许多不可再生的商业产品[4]。
从木质纤维素生物质中提取的生物乙醇被称为第二代（2G）生物乙醇，它比以粮食作物为主要原料的第一代（1G）生物乙醇更受欢迎。多年来，1G生物乙醇引发了关于“粮食与燃料”问题的严重争议。在2G生物乙醇的背景下，可以利用多种类型的木质纤维素生物质作为原料，包括农业残余物和林业残余物。木质纤维素生物质因其高可用性、低成本和可再生性而成为更理想的生物乙醇原料。然而，木质纤维素的顽固性仍然是需要解决的主要问题。因此，包括预处理、酶水解和发酵过程在内的生物工艺的优化非常重要，值得深入研究。在我们之前发表的相关工作中，已经详细讨论了使用油棕叶生物质进行葡萄糖转化的预处理和酶水解过程的优化。然而，目前还没有研究报道使用预处理后的油棕叶作为生物乙醇原料来优化发酵过程。此外，在现有的油棕生物质研究中，也没有文献报道将油棕叶转化为生物乙醇的情况。不过，只有少数研究探索了香蕉叶[5]、甘蔗叶[6]和菠萝叶[7]等农业材料作为通过水解和发酵（SHF）生产生物乙醇的潜在用途。通常，SHF过程是一个厌氧过程，它分两步将纤维素分解为生物乙醇：首先使用纤维素酶将纤维素水解为葡萄糖，然后通过酵母的作用将葡萄糖发酵生成乙醇和二氧化碳副产品。多种酵母可以在30-37°C的温和条件下进行24-96小时的发酵[8,9]。最常见的酵母是，它能高效地将葡萄糖（一种C6糖）转化为乙醇。根据Moodley等人的研究[6]，使用10% v/v的对甘蔗叶进行24小时的SHF处理后，可产生约28.97 g L?1的生物乙醇。而在72小时的较长发酵时间内，从预处理的菠萝叶浆料中可产生约9.06 g L?1的生物乙醇，发酵效率达到94%[7]。据报道，SHF过程约占工业生物工艺总成本的25%[10]。在工业规模上，生物加工需要在受控条件下进行，使用最佳的水解和发酵条件。这一点突显了优化发酵过程（特别是发酵时间）的重要性，以确保高生物乙醇产量。
作为生物能源，生物乙醇被广泛用作混合燃料，称为E10，即10%乙醇与90%汽油的混合物。这种生物燃料在美国被广泛用作车辆的替代燃料。此外，值得注意的是，生物乙醇也可以作为燃料电池系统中的生物能源。燃料电池是一种多功能能量转换装置，可以将化学能转化为电能[11]。它被认为是一种新兴的未来技术，能够为家庭和车辆提供电力。目前，常用的燃料电池有固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、微生物燃料电池和直接酒精燃料电池（DAFCs）[12,13]。在可用的燃料电池技术中，DAFCs是最突出的类型之一，它们使用聚合物电解质膜（PEM）作为电解质，酒精（如乙醇或甲醇）作为反应物。与甲醇相比，乙醇更具优势，因为它的毒性更低、燃料效率更高且成本更低，因为它可以从木质纤维素生物质中生产[14,15]。迄今为止，只有少数学者报道了在燃料电池系统中直接使用发酵后的生物乙醇溶液作为生物能源[15,16]。例如，Dybinski等人[16]利用果园废弃物发酵得到的生物乙醇作为替代燃料，在熔融碳酸盐燃料电池系统中产生了0.93 V的电池电压和0.05 W cm?2的功率密度。然而，目前还没有研究专门报道在PEM-DEFC系统中直接使用来自木质纤维素生物质的生物乙醇。然而，在直接使用乙醇（即分析纯度）的PEM-DEFC系统背景下，Saisirirat等人[17]评估了商业PEM-DEFC组件的性能，重点研究了不同乙醇浓度下的电力产生情况。研究表明，当乙醇浓度为7% v/v时，获得了最高的功率11.75 mW。因此，进行一项全面的研究，重点研究存在油棕叶生物质产生的生物乙醇时的PEM-DEFC电化学系统，对于深入理解燃料电池系统至关重要。通过电化学分析，可以描述发生在电极界面和电解质溶液中的化学过程，这有助于评估生物乙醇作为PEM-DEFC系统中替代生物能源的能量性能。
据我们所知，本工作重点在于使用不同的优化预处理过程获得的预处理油棕叶浆料来优化发酵过程，并评估所产生的生物乙醇作为PEM-DEFC系统中生物能源的能量性能，这是一个相对较新的领域。本工作还研究了不同预处理对优化条件下油棕叶生物质性质的影响。由于转化速率较慢，优化发酵时间将有助于最大化生物乙醇的产量。同时，为了直接利用所产生的生物乙醇，使用开路电位（OCP）和电化学阻抗谱（EIS）进行全面的电化学分析对于评估存在生物乙醇时的PEM-DEFC系统性能至关重要。
实验部分
实验部分
在这项工作中，图1展示了将油棕叶（OPFLs）转化为生物乙醇以及将所产生的生物乙醇作为直接乙醇燃料电池（DEFC）系统中的生物能源的过程。
原始和预处理油棕叶浆料中的单糖组成
通过HPAEC分析发现，原始油棕叶浆料中的单糖含量（基于干重）分别为葡萄糖16.55 ± 0.53 wt%，木糖7.10 ± 0.16 wt%，鼠李糖+阿拉伯糖1.66 ± 0.08 wt%，半乳糖1.30 ± 0.04 wt%，甘露糖1.44 ± 0.05 wt%。从表2可以看出，经过不同预处理过程后，油棕叶生物质浆料中的葡萄糖含量有所增加。最高的葡萄糖含量为49.88 wt%
结论
通过热处理、蒸汽爆炸和稀NaOH预处理成功破坏了油棕叶生物质的顽固结构。从化学成分来看，所有预处理后的油棕叶浆料的葡萄糖含量都有所提高，这是预处理后的油棕叶浆料作为生物乙醇生产原料的关键性质。HPAEC-PAD分析显示，葡萄糖含量从16.55 wt%提高到了32.80 wt%，31.80 wt%
CRediT作者贡献声明
Nur Fatin Silmi Mohd Azani： 数据整理、正式分析、研究、方法论、可视化、初稿撰写。Isabelle Ziegler-Devin： 构思、正式分析、方法论、监督、验证、审稿与编辑。Arnaud Besserer： 构思、方法论。Nicolas Brosse： 构思、资金获取、方法论、监督、审稿与编辑。M. Hazwan Hussin： 构思、数据整理、资金获取
致谢
衷心感谢马来西亚高等教育部通过原型研究资助计划（PRGS/1/2022/STG05/USM/02/1）提供的财政支持。作者们还要感谢RMN平台、Institut Jean Barriol、CRM2以及Université de Lorraine - CNRS的协助。Nur Fatin Silmi Mohd Azani特别感谢法国政府提供的博士联合培养奖学金
