Z12-2-2生物质能源-燃料乙醇.ppt

1、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,ethyl alcohol）,具有特殊的香味和辣味 密度为0.789 g/cm3 m.p. 117.3C b.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

2、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)：(gkm) 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,Production capability for Ethanol is about 5.81 million ton in Chi

3、na. Fig: medium and large enterprise spatial distribution,Provinces for Ethanol production by use of Sorghum bicolor in China,Sorghum bicolor,Sorghum bicolor,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,(glucose polymer),(xylose/arabinose polymer),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(%),Cellulose Fiber,Hemicel

4、lulose Lignin Pectin Other polysaccharides,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,The Path from Cellulose to Ethanol 从秸杆到乙醇燃料,Crystalline Region,Amorphous Region,Cellulose,Lignin,Hemicellulose,预处理的作用,预处理,纤维

5、素,木质素,无定形区,结晶区,半纤维素,$/gal EtOH,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

6、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(Nancy Ho at Purdue)，并用于生产(Iogen, Canada) 纤维素酶在酵母里表达已有先例(Kondo et al.),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 Lignin perioxidase,锰过氧化物酶 Manganese peroxid

7、ase,乙二醛氧化酶 Glyoxal oxidase,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 Acetylxylan esterase,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

8、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 Xylose Reductase,木糖醇脱氢酶 Xylitol Dehydrogenase,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

9、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

10、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=0.850.90 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 - 1.5D h1=0.1 - 0.14D h1=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/（m2h）

11、 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(Molecular sieves) 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