生物质能的利用幻灯片

1、1,生物质能的利用,小组成员：党国姁 周贞杜加福 薛刚苗波波 王浩,2,一 生物质及生物质能的定义,生物质：通过光合作用而形成的各种有机体，包括所有动植物和微生物。 生物质能：绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能存储在生物质内部的能量。是太阳能以化学能形式存储在生物质中的能量。,3,特点,特点：可再生；洁净性（燃烧容易、充分，灰分低、污染少）；与化石能源的相似性； 缺点：低品位（热值和热效率低，能量密度低；含水量高）；分散性（体积大不易运输、收集）。,4,二 生物质能的利用,生物炼制：以生物转换为主的生产过程，以生物质（主要为纤维素、木质素、淀粉等）为原料，经过微生物的生物体内实现物质的代谢

2、转换得到我们所需要的化学品。,纤维素,5,生物质炼制的产品,生物质炼制,乙醇汽油、生物柴油、沼气,乳酸、乙烯、丙烯酸，1,3-丙二醇、琥珀酸,尼龙工程塑料、大豆蛋白改性纤维,生物质燃料,生物质化工原料,生物质高分子材料,6,乙醇汽油,生物柴油,沼气,1,2,3,生物质燃料,7,8,乳酸简介,乳酸的生物质合成原理,生物质塑料(PLA),生物质塑料的应用及发展,4,1,2,3,生物质化学化工原料,9,乳酸简介,乳酸( Lactic acid)，又名丙醇酸，学名为-羟基丙酸，分子式为C3H6O3 ,其分子结构中含有一个不对称碳原子，因此具有旋光性。是一种天然有机酸。,10,乳酸的合成方法,发酵法,化

3、学合成法,酶化法,乳酸,合成,11,发酵法合成乳酸,发酵法的原料一般是玉米、大米、甘薯等淀粉质原料，也有报道以苜蓿、纤维素等作原料。乳酸发酵阶段能够产酸的乳酸菌很多，但产酸质量较高的却不多，主要是根霉菌和乳酸杆菌等菌系。不同菌系其发酵途径不同，可分同型发酵和异型发酵，实际由于存在微生物其它生理活动，可能不是单纯某一种发酵途径。,12,发酵法的主要途径是以各种精制淀粉糖化后的葡萄糖、蔗糖溶液为原料, 加入乳酸菌及菌所需的营养物, 进行28天的厌氧发酵。加入石灰和碳酸氢钠等调节pH值5左右。温度依加入的乳酸菌种不同而异, 但保持在50 可抑制乙酸、丙酸、丁酸等的发酵。,13,乳酸的生物发酵合成,乳

4、酸发酵机理：乳酸主要是乳酸菌消化糖的代谢产物。乳酸菌可以通过同型发酵和异型发酵来消化糖。在存在过多底物的情况下，乳酸菌厌氧生长，能源物质如葡萄糖通过EMP代谢途径被转化为丙酮酸，丙酮酸继续代谢转化为乳酸。,14,1 同型发酵 微生物通过EMP代谢途径发酵，乳酸是代谢的唯一产物，1分子葡萄糖转化生成2分子乳酸，理论转换率为100%，实际上转化率在80% 左右。 C6H12O6+ 2ADP + 2Pi 2CH3CH(OH)COOH + 2ATP,15,2 异型发酵 微生物经由HMP途径生成等物质的量的乳酸、CO2 和乙醇。葡萄糖的理论转化率只有50%。 C6H12O6 + ADP + Pi CH3

5、CH (OH)COOH + CH3CH2OH +CO2+ ATP,16,葡萄糖和戊糖异型乳酸发酵的生化步骤,17,合成法制乳酸,合成法 合成方法制备乳酸包括乳腈法、丙稀腈法、丙酸法、丙稀法等，其中用于工业生产的是乳腈法(也叫乙醛氢氰酸法)和丙稀腈法。,18,酶化法制乳酸,酶化法 有研究利用纯化了的L-2-卤代酸脱卤酶和DL-2-卤代酸脱卤酶分别作用于底物L-2-氯丙酸和DL-2-氯丙酸，脱卤制得L-乳酸或D-乳酸。L-2-卤代酸脱卤酶催化L-2-氯丙酸，而DL-2-卤代酸脱卤酶既可催化L-2-氯丙酸，又可催化L-2-氯丙酸生成相应的旋光体，催化同时发生构型转化。 还有研究从活力最高的乳酸脱氢酶

6、的混乱乳杆菌DSM20196菌体中得到D-乳酸脱氢酶，以无旋光性的丙酮酸为底物可得到D-乳酸。,19,聚乳酸（PLA）,聚乳酸(PLA) 单个的乳酸分子中有一个羟基和一个羧基,多个乳酸分子在一起,-OH与别的分子的-COOH脱水缩合,-COOH与别的分子的-OH脱水缩合,就这样,它们手拉手形成了聚合物,叫做聚乳酸。其分子式为(C3H4O2)m。聚乳酸也称为聚丙交酯，属于聚酯家族。聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生。聚乳酸的生产过程无污染，而且产品可以生物降解，也可实现在自然界中的循环，因此是理想的绿色高分子材料。,20,生物质化工原料的制备,生物质塑料聚乳酸(P

7、LA)由乳酸单体聚合而成，因此首先要解决乳酸单体的大批量制备。 聚乳酸粒料,21,以乳酸单体合成聚乳酸（PLA）,直接法 也叫一步聚合法，是利用乳酸直接脱水缩合反应合成聚乳酸，操作简单，成本低；但是所用乳酸纯度要求高，反应时间长，温度控制要求严格，所得聚乳酸相对分子量低、易降解变色，工业化较困难。 间接法 也叫丙交酯开环聚合法，或二步聚合法，是利用乳酸或乳酸酯为原料，脱水低聚得到低分子量的聚乳酸，而后高温裂解得到单体丙交酯，丙交酯再开环聚合得到高分子量的聚乳酸，分子量可达10万一100万。,22,1丙交酯的制备 1)一步聚合法：在高温、催化剂作用下两分子乳酸酯化缩合，其机理是乳酸缩合先得到乳酸

8、直链二聚体，然后二聚体环化合成环状二聚体。,间接法制备聚乳酸,23,2)二步聚合法：乳酸在低温、催化剂作用下聚合得低聚乳酸，然后在高温、高真空度下低聚乳酸分解，制得丙交酯。,24,合成聚乳酸 丙交酯在催化剂作用下开环聚合制得高分子量的聚乳酸。,25,聚乳酸的优点,聚乳酸的优点主要有以下几方面： （1）聚乳酸是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由发酵过程制成乳酸，再通过化学合成转换成聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水。（2）机械性能及物理性能良好。聚乳酸适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方

9、便，应用十分广泛。（3）相容性与可降解性良好。聚乳酸在医药领域应用也非常广泛，如可生产一次性输液用具、免拆型手术缝合线等，低分子聚乳酸作药物缓释包装剂等。（4）聚乳酸除了有生物可降解塑料的基本的特性外，还具备有自己独特的特性。传统生物可降解塑料的强度、透明度及对气候变化的抵抗能力皆不如一般的塑料。 （5） 聚乳酸和石化合成塑料的基本物性类似，也就是说，它可以广泛地用来制造各种应用产品。聚乳酸也拥有良好的光泽性和透明度，和利用聚苯乙烯所制的薄膜相当，是其它生物可降解产品无法提供的。（6）聚乳酸具有最良好的抗拉强度及延展度，（7）聚乳酸薄膜具有良好的透气性、透氧性及透二氧二碳性，它也具有隔离气味的

10、特性。病毒及霉菌易依附在生物可降解塑料的表面，故有安全及卫生的疑虑，然而，聚乳酸是唯一具有优良抑菌及抗霉特性的生物可降解塑料。,26,（8）当焚化聚乳酸时，其燃烧热值与焚化纸类相同，是焚化传统塑料（如聚乙烯）的一半，而且焚化聚乳酸绝对不会释放出氮化物、硫化物等有毒气体。 人体也含有以单体形态存在的乳酸，这就表示了这种分解性产品具有的安全性。,27,聚乳酸行业应用,（1）聚乳酸在汽车领域的应用,（2）聚乳酸在一次性用品的应用,（3）聚乳酸在电子电器领域的应用,（4）聚乳酸在生物医药领域的应用,28,29,发展方向 绿色生活方式逐渐成为各国人民的消费时尚，具有完全生物降解特性的生物质塑料必将成为普

11、通消费者的日常生活用品。我国人口众多，资源与环境问题严重，粮食供给是个长期的问题，如果采用粮食淀粉作为发酵生产乳酸的原料，必将对我国，乃至世界的粮食供给造成不良影响，而木质纤维素，包括树叶修剪枝、农业废弃物(秸秆、玉米芯)等，属于可再生资源，开发木质纤维素发酵制备聚乳酸生物质塑料将是以后的发展方向。,30,Contents,大豆纤维简介,大豆纤维特点,大豆纤维制备工艺流程,大豆纤维的应用及发展,4,1,2,3,生物质高分子材料,31,生物质高分子材料的制备,大豆蛋白纤维属于再生植物蛋白纤维类，是以榨过油的大豆豆粕为原料，利用生物工程技术，提取出豆粕中的球蛋白，通过添加功能性助剂，与腈基、羟基等

12、高聚物接枝、共聚、共混，制成一定浓度的蛋白质纺丝液，改变蛋白质空间结构，经湿法纺丝而成. 其有着羊绒般的柔软手感，蚕丝般的柔和光泽，棉的保暖性和良好的亲肤性等优良性能，还有明显的抑菌功能，被誉为“新世纪的健康舒适纤维”。,32,大豆纤维的特点,大豆蛋白纤维单丝细度细、比重小、强伸度较高、耐酸耐碱性好，用它纺织成的面料，具有羊绒般的手感、蚕丝般的柔和光泽，兼有羊毛的保暖性、棉纤维的吸湿和导湿性，穿着十分舒适，而且能使成本下降30%-40%。大豆蛋白纤维既具有天然蚕丝的优良特性，又具有合成纤维的机械性能，它的出现满足了人们对穿着的舒适性、美观性的追求，符合服装免烫、洗可穿的潮流。,33,大豆蛋白纤

13、维、羊绒、绢丝的性能指标,34,大豆纤维的生物质法制备工艺,大豆蛋白纤维是一种广泛存在于豆科植物种子中的功能活性物质, 以大豆饼粕为原料, 通过正交实验设计方法优选了大豆膳食纤维的制备工艺条件, 即先用5氢氧化纳, 于温度80条件下提取分离出大豆饼粕中的蛋白质, 再用耐高温型一淀粉酶加热80酶解处理豆粕渣30min如, 继而经脱色、过滤、干燥等程序就可得到含总纤维80以上的大豆膳食纤维产品, 其工艺产率约90, 同时, 工艺过程中的碱性提取液, 经进一步处理还可用于生产浓缩大豆蛋白, 如此使大豆饼粕得到了充分开发利用。,35,制备大豆纤维工艺流程,水 NaOH 水 水 NaOH H2O2 大豆

14、渣 废液 成 品,加热高速搅拌,加热高速搅拌,过滤,洗涤过滤,过滤,干燥,36,大豆蛋白纤维的应用及发展,应用： 一种是将蛋白质溶液与其他高聚物材料进行共混纺丝，另一种办法是将蛋白质与其他高聚物进行接枝共聚。前一种方法属于机械混合，后一种方法属于化学结合。,37,大豆蛋白纤维的应用及发展,发展： 大豆蛋白纤维作为由我国纺织科技工作者自主开发，具有完全知识产权的人造纤维。因其特殊的理化性能，大豆蛋白纤维在许多方面都有着其显著的优点。大豆蛋白纤维主要原料来自于自然界的大豆因此具有相当丰富的原料资源和低廉的原料成本不会对自然界造成掠夺性开发。在可以预见的将来，随着工艺的不断改进和成熟，含有大豆蛋白纤维的各种面料会越来越多。大豆蛋白纤维的纺织品将会发展成为成本低、附加值高的产品，为越来越多的客商所青睐,.,38,大豆纤维产品,39,生物质应用现状问题及建议,现状问题： 目前，世界各国的生物质能利用率都不高，平均不到总耗能的l，且未经