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生物液体燃料

——丁醇第1页背景

全球变暖、化石能源日渐消耗国际局势担心，能源争端频发，造成国际原油价格急剧上涨，能源紧缺，直接影响到城镇居民生活，乃至国家经济腾飞。开发廉价、清洁替换能源已迫在眉睫。原油价格不停攀升,让人们对生物质能源寄予了更多希望。第2页原理以及该领域进展利用细菌，藻类，非粮纤维素（我国因为粮食生产无法自给自足需要进口，所以禁用粮食生产）制造丁醇以一定百分比与化石燃料调和或100%丁醇，减轻或代替化石燃料危机以及降低化石燃料带来污染第3页丙酮-丁醇发酵(产物中含有大量丁醇、丙酮和少许乙醇,简称为ABE发酵).在传统ABE发酵过程中,因为丁醇对微生物含有严重抑制作用,发酵液中丁醇浓度普通都低于13g/L,ABE浓度不超出20g/L[3]改良：将化工分离技术与发酵过程耦合新工艺,将ABE从发酵液中快速而连续移出,降低发酵产物抑制作用,从而提升整个发酵过程经济性.第4页当前用于

ABE发酵耦合分离技术包含：吸附(Adsorption)液液萃取(Liquid-liquidextraction)气提(Gasstripping)膜蒸馏(Membranedistillation)渗透汽化(Pervaporation,PV)反渗透(Reverseosmosis)等第5页渗透汽化技术作为一个新型膜分离技术,与其它分离技术相比,不但含有高效、节能和环境保护优点,而且在与发酵过程耦合过程中,不会移除培养基中营养物质,而且对微生物没有毒害作用.对于后续丁醇-水共沸物分离,渗透汽化与传统共沸精馏相比也含有显著技术上和经济上优势.第6页关键问题之一是开发和制备高性能(高渗透通量和选择性)渗透汽化膜.渗透汽化膜能够分为疏水膜和亲水膜,分别对应着渗透汽化技术在燃料丁醇制备过程中两个关键部分应用:1)渗透汽化疏水膜与ABE发酵过程耦合,原位移出发酵产物ABE,降低产物抑制作用,提升发酵产率;2)渗透汽化亲水膜用于丁醇/水共沸物脱水,替换传统共沸精馏过程,高效节能环境保护.第7页当前用于低浓度丁醇回收或提浓疏水性渗透汽化膜主要有:聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)及其共聚、改性和掺杂膜液膜(liquidmembrane)聚三甲基硅丙炔膜(poly[-1-(trimethylsilyl)-1-propyne],PTMSP)聚醚酰胺嵌段共聚物膜(Poly(etherblockamide),PEBA)聚丙烯膜(PP)聚四氟乙烯膜(PTFE)等第8页另外,还有学者研究了PTMSP膜.PEBA膜、PP膜、PTFE膜在丁醇-水溶液中渗透汽化性能。缺点：PTMSP膜材料本身存在稳定性差问题。PEBA膜、PP膜和PTFE膜对丁醇选择性都比较低。第9页渗透汽化亲水膜渗透汽化亲水膜是当前研究最为广泛也是最为成熟渗透汽化膜.惯用于丁醇脱水渗透汽化膜材料有:聚乙烯醇(Poly(vinylalcohol),PVA)聚酰亚胺(Polyimide,PI)二氧化硅NaA分子筛壳聚糖(Chitosan,CS)藻酸钠(SodiumAlginate,SA)聚电解质等.第10页ABE发酵-渗透汽化耦合工艺采取各种分离技术与发酵过程相耦合,原位移出发酵产物ABE,降低产物抑制作用,提升葡萄糖转化率和溶剂产率,从而提升整个发酵过程经济性.（耦合：物理学上指两个或两个以上体系或两种运动形式间经过相互作用而彼此影响以至联合起来现象）不足：耦合工艺中膜污染[在ABE发酵-PV耦合过程中,因为真实发酵液密度、黏度、pH值等物性参数差异以及存在无机盐、葡萄糖、其它代谢产物、微生物细胞等复杂成份,造成渗透汽化膜性能相比在模拟丁醇或ABE水溶液中都会有所下降]第11页Qureshi等将液-液萃取、膜萃取、气提和渗透汽化与ABE发酵过程耦合,比较了四种不一样分离耦合技术对发酵过程溶剂产率和生产效率影响.结论：他们认为气提和渗透汽化是与ABE发酵耦合最有前景分离技术,气提分离技术对ABE溶剂选择性可达6~23,而渗透汽化技术因为操作简单、分离效率高,可成为替换精馏作为ABE后续提浓方法.第12页案例及案例分析埃克森美孚企业(ExxonMobil)决定进入先进生物燃料领域，与SyntheticGenomics生物技术企业联合研发藻类原料生物燃料。美国政府和军方正与企业合作，研究藻类燃料生产技术，希望这种可再生燃料帮助部队降低依赖进口能源。海军眼下与美国可再生能源技术企业Ｓolazyme合作，研究将藻类转化为油料技术。

第13页美国绿色生物有限企业(GBL)和专业级企业EKB企业合作,投资8515万欧元创新丁醇发酵工艺技术,计划开发生产生物燃料丁醇用于交通运输,将其生产成本降低1/3.年2月,英国Oxfordshire2basedBiotechnology企业接收英国贸易部和工业引导技术部投资25万英镑,其它股东和商业人士投资31万英镑,计划开发新一代低成本生物燃料———丁醇[17]。为应对高油价,韩国产业资源部年表示,计划大力研发生化丁醇(Bio2butanol,第14页直接替换汽油生物燃料)、生物合成石油等下一代新能源技术和天然气固化储存和运输技术。第一阶段从年至年3年内,计划投入200亿韩元开发上述技术,其中政府投资113亿韩元,由韩国化学研究院、GS精油、SK建设、三星综合技术院(SAIT)和汉城大学(HansungUniversity)等29个企业和研究机构共同参加。一阶段研发结束时,将开发出生产能力3万L/a生化丁醇、35桶生物合成柴油和20t固化天然气成套设备。第15页国内科研院所以及一些发酵企业也都开始着手丁醇研究开发,其中上海天之冠可再生能源有限企业和中国科学院上海植物生理生态研究所关于发酵法生产丙酮丁醇项目已经申请了国家“973”、国家“863”计划以及中国科学院计划,项目标重点是结构高产、高底物选择性丙酮丁醇菌种和开发新发酵工艺,包含纤维质原料发酵生产丙酮丁醇、溶剂抽提耦联发酵技术以及研究先进发酵过程装备等。第16页欧洲最大石油企业ＢＰ企业与大型化工企业杜邦企业将联手开发、生产和销售新一代生物燃料丁醇，用作可再生运输燃料。两家企业在英国市场上推出他们用作汽油组分第一个产品：称为生物丁醇正丁醇。ＢＰ和杜邦与英国食品联合会组员英国糖业企业合作，将使英国以甜菜为原料第一套乙醇发酵装置转产（９００万加仑／年）丁醇。BP-杜邦联合体正在英国建设验证装置，利用糖类发酵以商业化生产生物丁醇。

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英国石油企业(“BP”)以5亿美元天文数字巨大投资，时间细心栽培，进行对丁醇开发。它和素以“撇奶油”做法闻名商界美国杜邦在开发丁醇燃料项目上正如胶似漆亲密关系因为近期试验新进展而显得更上一层楼。其生化丁醇在一些性能上已经到达无铅汽油参数标准。杜邦企业加紧与ＢＰ企业合作，两家企业将使用杜邦企业科学和技术及其销售经验，将生物丁醇推向市场。第18页发展中存在问题及应对策略早期丁醇发酵工业因其成本高,不敌于石油化工产品而衰落,这也是当今限制其大规模发展瓶颈所在,据业内教授分析,假如原油价格保持在40美元/桶以上,年以后,生物丁醇市场机会将会超出10亿美元。传统丁醇发酵产业普遍存在问题有①丁醇产量、产率低②溶剂终浓度低第19页③丁醇在总溶剂中百分比低,普通只占60%,其余30%为丙酮,10%为乙醇,加大了后期丁醇回收、分离成本④传统丁醇发酵普遍采取玉米、糖蜜为原料生产,伴随粮食价格上涨及世界粮食资源匮乏,丁醇发展必将处于劣势。第20页发展展望针对传统丁醇发酵产业存在问题,可从以下几方面着手,详细策略以下:(1)改良现有菌株(2)研究从稀发酵料液中经济、有效回收丁醇方法,如渗透蒸发、汽提、液-液萃取等技术(3)用酶学、微生物生理、发酵技术等知识优化和再商品化丁醇发酵工艺(4)拓展发酵原料品种,改进原料预处理方法,经过系统研究降低丁醇成本第21页当前,新型生物燃料占全球运输燃料市场份额不足2%。依据当前预测,生物燃料在未来运输燃料结构中将占有主要比重,在主要市场中可望到达20%～30%,因为生物丁醇生产与乙醇生产采用相同工艺,现有乙醇生产设施经过改造便可转而生产生物丁醇,所以生物丁醇市场潜力巨大。