第七章 生物质燃料乙醇技术.ppt

生物质生化转化技术,第七章生物质燃料乙醇技术,燃料乙醇,乙醇，ethanol,俗称酒精,燃料乙醇，fuelbioethanol是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇。,燃料乙醇经变性后与汽油按一定比例混合可制车用乙醇汽油、乙醇柴油、乙醇润滑油等。,燃料乙醇,乙醇的燃料性质,车用汽油添加一定量的乙醇E10的检测结果,7.1燃料乙醇的发展现状,缓慢发展期,稳步发展期,快速发展期,世界前五位乙醇生产国家,国外发展现状,1、巴西,2、美国,3、加拿大,4、欧洲,化学法发酵法,7.2燃料乙醇生产技术,将富含淀粉的农产品如谷类、薯类等或野生植物果实经水洗、粉碎后，进行加压蒸煮，使淀粉糊化，再加入一定量的水，冷却至60左右并加入淀粉酶，使淀粉依次水解为麦芽糖和葡萄糖，然后加入酵母菌进行发酵制得乙醇。,发酵法生产乙醇,淀粉原料：薯类、谷物等糖类原料：甘蔗、甜高粱等纤维质原料：芦苇、苎麻秆、秸秆和稻壳等,原料,乙醇发酵的生化反应过程,乙醇发酵的基本工艺流程,前处理,乙醇发酵,后处理,糖类原料,淀粉原料,纤维原料,压榨、制浆、提取汁液,水解糖化,蒸汽爆破、酸碱处理、酶水解,蒸馏,脱水,原料,乙醇,7.2.1一代燃料乙醇生产技术,原料,糖类：甘蔗、甜高粱、甜菜等，无需经过水解工序即可直接酒精发酵。淀粉：玉米、小麦、薯类等，需要经过水解和糖化为单糖或多糖后才能进行乙醇发酵。,糖类原料的乙醇生产工艺过程,稀释酸化灭菌澄清添加营养盐,7.2.1一代燃料乙醇生产技术,糖类原料的乙醇生产工艺过程,酵母扩大培养酒母扩大培养,7.2.1一代燃料乙醇生产技术,糖类原料的乙醇生产技术,压榨,混合汁,絮凝过滤,清汁,浓缩,发酵,蒸馏,甘蔗,蔗渣,复合絮凝剂,发电或生产纸浆,燃料乙醇,酒精脱水,废醪液,浓缩,蛋白饲料,滤泥,有机肥,能源甘蔗清汁发酵燃料乙醇新工艺,7.2.1一代燃料乙醇生产技术,淀粉类原料的乙醇生产技术,7.2.1一代燃料乙醇生产技术,7.2.2二代燃料乙醇生产技术,原料种类,农业废弃物林业废弃物工业废弃物城市生活垃圾,物理法：粉碎、热解、电子射线等化学法：碱、酸处理法、有机溶剂法物理-化学法生物法：加入能分解纤维素半纤维素的微生物,预处理,技术要求：去除木质素，较少的去除半纤维素，最大化地利用木质纤维素中可利用的成分。,7.2.2二代燃料乙醇生产技术,浓酸水解稀酸水解酶水解,水解糖化,技术要求：去除木质素，较少的去除半纤维素，最大化地利用木质纤维素中可利用的成分。,7.2.2二代燃料乙醇生产技术,7.3淀粉质原料制乙醇,英文：Starch,分子式：(C6H10O5)n,结构式：,显色反应：遇碘变色糊化“退减”作用（老化）,在酶或酸等作用下分解发生酯化、醚化、接枝共聚等化学反应水解反应（糖化反应）,淀粉的性质,7.3淀粉质原料制乙醇,7.3淀粉质原料制乙醇,直链淀粉与支链淀粉的比较,7.3淀粉质原料制乙醇,淀粉-碘复合物,淀粉水解的过程是由大分子逐渐变小，最后生成葡萄糖。,与碘成色：,蓝色蓝紫色紫红色红色橙色,7.3淀粉质原料制乙醇,7.3淀粉质原料制乙醇淀粉原料的预处理,淀粉原料,除杂,粉碎,7.3淀粉质原料制乙醇水热处理,粉末状原料,制备粉浆,加热处理,高压蒸煮工艺中温蒸煮工艺90液化工艺无蒸煮工艺,7.3淀粉质原料制乙醇糖化,7.3淀粉质原料制乙醇糖化,糖化方法,7.3淀粉质原料制乙醇发酵,发酵,1.酵母乙醇发酵法（EMP途径/糖酵解途径）：利用酿酒酵母、管囊酵母、卡尔酵母、清酒酵母在无氧条件下，得到乙醇,2.细菌乙醇发酵法（ED途径）：利用厌氧发酵单胞菌、棕榈发酵菌、运动发酵单胞菌发酵,1.发酵前期：适宜温度，10h左右。,2.主发酵期：3034，12h左右。,3.发酵后期：3032，3040h。,1.葡萄糖到二磷酸果糖，3步反应。,2.磷酸果糖到磷酸甘油醛，2步反应。,3.磷酸甘油醛到丙酮酸，5步反应,4.丙酮酸降解成乙醇，2步反应。,粉碎,工艺水,糖化发酵,粗馏,精馏,脱水,糖浆,玉米,液化,微波干燥技术,碟片离心机,脱水离心,燃料乙醇,蒸发,离心清夜,粉浆,湿酒糟,-淀粉酶,酵母糖化酶,美国玉米发酵燃料乙醇的主流“干法”工艺,糖浆分离玉米油技术,7.3淀粉质原料制乙醇,7.4纤维质原料制乙醇,纤维质原料的种类,农作物纤维下脚料森林和木材加工工业下脚料工厂纤维素和半纤维素下脚料城市生活纤维垃圾,7.4纤维质原料制乙醇,植物纤维原料成分/%,7.4纤维质原料制乙醇,7.4.1纤维质原料制乙醇纤维质原料预处理,物理法,化学法,物理-化学法,生物法,机械粉碎蒸汽爆破微波处理高能辐射,酸处理碱处理溶剂处理SO2处理,7.4.2纤维质原料制乙醇纤维质原料的糖化,植物纤维素的水解包括酸水解、酶水解、微生物水解，经过预处理的纤维素通过通过酸水解或酶水解来糖化。,C6H10O5n+nH2OnC6H12O6,7.4.2.1纤维质原料制乙醇酸水解,温度：温度增加10，水解速度提高1.2倍。催化剂：有机酸、氢溴酸、氢碘酸、硫酸、盐酸。,7.4.2.1纤维质原料制乙醇酸水解,纤维素,均相水解葡萄糖的回聚,浓酸水解,酸复合物,低聚糖,葡萄糖,7.4.2.1纤维质原料制乙醇酸水解,纤维素,多相水解高温高压条件,稀酸水解,水解纤维素,可溶性多糖,葡萄糖,7.4.2.2纤维质原料制乙醇酶水解,催化剂：纤维素酶,普遍认可的酶水解机理：首先由内切葡聚糖酶作用于纤维素的非结晶区，使其露出许多末端供外切葡聚糖酶作用，纤维二糖酶从非还原性末端依次分解，产生纤维二糖，然后部分降解的纤维素进一步由内切葡聚糖酶和纤维二糖酶协同，分解生成纤维二糖、纤维一糖等低聚糖，最后由-葡萄糖酶作用分解成葡萄糖。,7.4.2.2纤维质原料制乙醇酶水解,酶水解步骤：,纤维素酶吸附于纤维素的表面；通过酶的协同作用，将纤维素降解为可发酵的糖；酶从物料残渣上脱吸附，进入水解液。,7.4.3纤维质原料制乙醇发酵,1.酵母乙醇发酵法（EMP途径/糖酵解途径）,2.细菌乙醇发酵法（ED途径）,C6H12O6+2NAD+2H3PO42CH3CH2OH+2CO2+2ATP,C6H12O6+ADP+H3PO42CH3CH2OH+2CO2+ATP,乙醇的蒸馏与脱水,发酵成熟醪组成,挥发性杂质：甲醇、乙醛、杂醇油不挥发性杂质：甘油、琥珀酸、乳酸、无机盐类、脂肪酸、酵母以及不发酵性糖等。,蒸馏,7.5乙醇的蒸馏与脱水,乙醇蒸馏：将发酵醪液中的乙醇和其他所有挥发性杂质分离开来的过程。,7.5乙醇的蒸馏与脱水,乙醇脱水,吸附脱水共沸脱水真空脱水,膜脱水离子交换脱水萃取脱水,夹带剂与乙醇、水形成三元共沸物,7.5乙醇的蒸馏与脱水,分步糖化发酵（SHF）同步糖化发酵（SSF）固定化细胞发酵法综合生物工艺（CBP）,7.6乙醇发酵工艺类型,7.6.1分步糖化发酵（SHF）,分步糖化发酵即糖化、发酵二段发酵法，也称水解发酵二段法，该法是目前研究最多的一种方法。,首先利用化学方法或细菌进行水解，生成己糖（纤维素水解产物）或木糖（半纤维素水解产物）；然后再将水解得到的糖作为发酵碳源，利用酵母或细菌发酵生产乙醇。,7.6.2同步糖化发酵（SSF）,指用一种可产生纤维素酶的微生物和酵母在同一容器内连续进行纤维素的糖化和发酵。,SHF与SSF的优缺点对比？,7.6.3固定化细胞发酵法,固定化细胞就是被限制自由移动的细胞，即细胞受到物理化学等因素约束或限制在一定的空间界限内，但细胞仍保留催化活性并具备能被反复或连续使用的活力。该法是在酶固定化基础上发展起来的一项技术。发展新动向：混合固定细胞发酵,