生物质能源-燃料乙醇

走进生活的生物化学专题十二 生物质能源 燃料乙醇 乙醇 ethanol ethylalcohol 具有特殊的香味和辣味密度为0 789g cm3m p 117 3 Cb p 78 5 C能与水以任意比互溶 乙醇分子中的羟基 活泼氢的取代 乙醇分子中的羟基 脱氢氧化 乙醛 乙醇分子中的羟基 羟基 OH与 H的消去 乙醇分子中的羟基 分子间脱水 乙醚 乙醇分子中的羟基 羟基 OH的卤代 乙醇的转化关系 CH3CH2OH 乙醇的工业合成 乙烯水化法 粮食发酵法 乙醇的用途 是一种良好的有机溶剂是一种重要的化工原料是一种新型的绿色能源可配制安全 高效的医用消毒剂是酒类的重要成分之一 欧盟轻型汽车排放限值标准 到2005年轻型汽车的排放限值必须符合以下标准 欧洲4号 g km CO 1 0以下 CH 0 1以下 NOx 0 08以下 新世纪朝阳工业 燃料乙醇的生产过程 生产乙醇燃料的原料 原料 陈粮农 林业废弃物 各种含纤维素垃圾能源植物Miscanthus 大禾草 Switchgrass 柳枝稷 甜高梁木薯效益 中国能源战略发展的需要解决环境污染 变废为宝增加农民收入 解决 三农 问题 生产酒精的原料 ProductioncapabilityforEthanolisabout5 81milliontoninChina Fig mediumandlargeenterprisespatialdistribution ProvincesforEthanolproductionbyuseofSorghumbicolorinChina Sorghumbicolor Sorghumbicolor 酒精車使用概念 植物行光合作用 酒精工廠 分解及發酵 二氧化碳 酒精車使用概念 glucosepolymer xylose arabinosepolymer 生物质的主要成分 木质素 纤维素 半纤维素 生物质的主要成分 CelluloseFiber HemicelluloseLigninPectinOtherpolysaccharides 生物质原料的结构 纤维素呈结晶状拧合成纤维束半纤维素和其他多聚糖缠绕着纤维束木质素像胶水一样覆盖和凝合着各种物质水解酶或其他化学物质很难渗透到纤维素表面 纤维束 半纤维素木质素果胶质其他多聚糖 秸杆或其他原料 组分分离预处理 酶制剂 生物降解 乙醇分离 ThePathfromCellulosetoEthanol从秸杆到乙醇燃料 CrystallineRegion AmorphousRegion Cellulose Lignin Hemicellulose 预处理的作用 预处理 纤维素 木质素 无定形区 结晶区 半纤维素 galEtOH 稀酸 热水 气爆 气渗 石灰 预处理的效果和费用 处理效果依方法而异耗能 热水 气爆 环境污染 稀酸 周期长 石灰 成本高 glucoside 纤维素水解 纤维素水解由纤维素酶系完成纤维素酶系含至少三种酶 内切葡聚糖酶 纤维二糖水解酶和纤维二糖酶此法成本很高 纤维素酶占总成本的36 45 效率常低产物反馈抑制受预处理影响 燃料乙醇生产新构想 基因工程酵母 木质素水解酶酵母 半纤维素酶酵母 纤维素酶酵母 酒精发酵酵母 燃料乙醇 植物原料 原料粉 半纤维素纤维素有机酸 纤维素单糖有机酸 乙醇混合物 单糖有机酸 基因工程酵母技术的可行性 酵母适用于生产重组酶并分泌于细胞外酵母已经用于乙醇生产 转化淀粉和葡萄糖为乙醇能转化五碳糖的基因工程酵母已获成功 NancyHoatPurdue 并用于生产 Iogen Canada 纤维素酶在酵母里表达已有先例 Kondoetal 基因工程酵母技术的优势 低成本无须高消耗的预处理无须价格昂贵的纤维素酶高效率水解彻底五 六炭糖全部利用无环境污染建厂投资和技术要求低 适合离秸杆源近的农村建厂 解决 三农 问题 木质素水解酶酵母 木质素过氧化物酶Ligninperioxidase 锰过氧化物酶Manganeseperoxidase 乙二醛氧化酶Glyoxaloxidase 漆酶Laccase Cellulose Lignin Hemi cellulose 纤维素 木质素 半纤维素 Cellulose 纤维素 Hemicellulose 半纤维素 半纤维素酶酵母 内切木聚糖酶endoxylanase 乙酰木聚糖酯酶Acetylxylanesterase 木糖苷酶Xylosidase 阿拉伯呋喃糖苷酶Arabinofuranosidase Cellulose Hemi cellulose 纤维素 半纤维素 Cellulose 纤维素 纤维素酶酵母 外切葡聚糖酶Exoglucosidase 内切葡聚糖酶Endoglucsidase 纤维二糖水解酶Cellobiohydrolase 纤维二糖酶Cellobiase Cellulose 纤维素 五碳糖代谢酵母 木糖还原酶XyloseReductase 木糖醇脱氢酶XylitolDehydrogenase 木酮糖激酶Xylulokinase 基因工程酵母成功的要素 基因源从腐生微生物 白蚁 消化道微生物基因或菌株组合酶的组成酶的比例重组基因优化起动子达到最佳表达调控产物到位酶性能优化 乙醇燃料电池 日本东芝公司研制出甲醇燃料电池 可使笔记本电脑连续工作5小时 美国研制出乙醇燃料电池 效率高出其32倍 我国从2001年开始推广 车用乙醇汽油 酒精发酵罐 1 罐型酒精发酵罐筒体为圆柱形 低盖和顶盖均为碟形或锥形 在酒精发酵过程中 为了回收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精 发酵罐采用密闭式顶有人孔 视镜及二氧化碳回收管 进料管接种管压力表和测量仪表接口管等 罐底装有排料口和排污口罐身上下装有取样口和温度计接中口对于型发酵罐 为了便于维修和清洗 在近罐底装有人孔 2 发酵的冷却装置中小型发酵罐 多采用罐顶喷水淋于罐外表面进行膜状冷却 对于大型发酵罐 罐内装有冷却蛇管或罐外壁喷洒联合冷却 3 洗涤装置 水力喷射洗涤装置 二 酒精发酵罐的计算 一 发酵罐结构尺寸发酵罐全体积 式中V 发酵罐的代表容积V0 进入发酵罐的发酵液量 装液系数 一般取 0 85 0 90带有锥形底 盖的圆柱形发酵罐全容积为 酒精发酵罐其罐体高度 底 盖高度和罐径的尺寸关系可推荐如下 H 1 1 1 5Dh1 0 1 0 14Dh1 0 05 0 1D根据发酵的全容积V和径高比等 即可确定发酵罐的结构尺寸 二 发酵罐罐数的确定对于间歇发酵 发酵罐罐数可按下式计算 N 发酵罐个数 其中一个作备用 个 n 每24小时内进行加料的发酵罐数目 个 t 一次发酵罐周期所需要时间 小时 三 发酵罐冷却面积计算 式中Q 总的发酵热 J h K 传热总系数J m2 h tm 对数平均温度差 F 冷却面积 m2 发酵罐冷却面积的计算可按传热基本方程式来确定 即 1 操作开始 糖液及酵母同时加入1 3罐至满 停止加酵母 继续加糖液 开底部阀使发酵液流入4号 4号流入5号 至9号结束 周期32小时 10 11号为贮存计量罐 轮用 2 操作结束 换罐 换种 停止流加糖液 关1号二氧化碳阀 泵转入2号 1号消毒并加新种新料重新开始 1号满时 2号经泵排尽并消毒好 1号流入2号 如止下去 20天换种一次 3 1 3号罐为流加罐 始终处于主发酵状态 在这一阶段中酵母处增殖阶段 并同时随着发酵醪中的淀粉和糊精继续被糖化而后几个罐则起后发酵的作用 10 11号为计量罐 1 淀粉质原料发酵酒精流程 2 糖蜜发酵酒精流程 無水酒精製法 共沸蒸餾 Azeotropic 萃取蒸餾 Extractive 分子篩吸附 Molecularsieves 滲透汽化膜分離 Pervaporation 共沸蒸餾法酒精脫水流程圖 含水酒精 共沸劑 有機層 無水酒精 萃取蒸餾法酒精脫水流程圖 萃取劑