Z生物质能源燃料乙醇.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,走进生活生物化学专题十二：生物质能源,燃料乙醇,1/58,乙 醇（ethanol,ethyl alcohol）,含有特殊香味和辣味,密度为,0.789 g/cm,3,m.p.117.3,C,b.p.78.5,C,能与水以任意比互溶,H H,H C C,O,H,H H,2/58,乙醇分子中羟基,H H,H C C H,H O H,活泼氢取代,2C,2,H,5,OH+2Na 2C,2,H,5,ONa+H,2,3/58,乙醇分子中羟基,H H,H C C H,H O H,脱氢氧化,H H,H C C,H O,CH,3,CH,2,OH+CuO CH,3,CHO+Cu+H,2,O,乙醛,C,2,H,5,OH+O,2,CH,3,CHO+H,2,O,1,2,Cu,4/58,乙醇分子中羟基,H H,H C C H,H O H,羟基-OH与-H 消去,H H,H C C H,CH,3,CH,2,OH CH,2,=CH,2,+H,2,O,浓,H,2,SO,4,170,C,5/58,H H,H C C H,H O H,乙醇分子中羟基,H H,H C C H,H O H,分子间脱水,2CH,3,CH,2,OH C,2,H,5,OC,2,H,5,+H,2,O,浓,H,2,SO,4,140,C,乙醚,6/58,乙醇分子中羟基,H H,H C C H,H O H,羟基-OH卤代,H Br,CH,3,CH,2,OH+HBr CH,3,CH,2,Br+H,2,O,7/58,乙醇转化关系,CH,3,CH,2,OH,CH,2,=CH,2,CH,3,CH,2,Br,CH,3,CH,2,ONa,C,2,H,5,OC,2,H,5,CH,3,CHO,8/58,乙醇工业合成,乙烯水化法,小麦,玉米番薯,麦芽糖,葡萄糖,酒精,淀粉酶,麦芽糖酶,酒化酶,粮食发酵法,CH,2,=CH,2,+H,2,O CH,3,CH,2,OH,cat.,9/58,乙醇用途,是一个良好有机溶剂,是一个主要化工原料,是一个新型绿色能源,可配制安全、高效医用消毒剂,是酒类主要成份之一,10/58,欧盟轻型汽车排放限值标准,到年轻型汽车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；NO,x,=0.08以下,。,11/58,新世纪朝阳工业,12/58,燃料乙醇生产过程,13/58,生产乙醇燃料原料,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:,中国能源战略发展需要,处理环境污染，变废为宝,增加农民收入，处理,“,三农,”,问题,14/58,生产酒精原料,原料種類,作物,糖質原料,甘蔗，甜高梁,澱粉質原料,小麥、玉米,纖維質原料,稻稈、舊報紙,藻類,綠藻、馬尾藻,15/58,Production capability for,Ethanol,is about 5.81 million ton in China.Fig:medium and large enterprise spatial distribution,16/58,Provinces for,Ethanol production by use of,Sorghum bicolor,in China,17/58,Sorghum bicolor,18/58,Sorghum bicolor,19/58,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,20/58,(glucose polymer),(xylose/arabinose polymer),生物质主要成份,木质素,纤维素,半纤维素,21/58,Feedstock,原料,Cellulose,纤维素,Hemi-cellulose,半纤维素,Lignin,木质素,Other,其它,Agricultural Waste,农业废弃物,38,32,17,13,Forestry Waste,林业废弃物,50,23,22,5,Municipal Waste,含纤维素垃圾,45,9,10,36,Energy Crop,能源作物,45,30,15,10,生物质主要成份(%),22/58,Cellulose Fiber,Hemicellulose,Lignin,Pectin,Other polysaccharides,生物质原料结构,纤维素呈结晶状拧合成纤维束,半纤维素和其它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,水解酶或其它化学物质极难渗透到纤维素表面,纤维束,半纤维素,木质素,果胶质,其它多聚糖,23/58,秸杆或其它原料,组分分离预处理,酶制剂,生物降解,乙醇分离,Costly,高消耗过程,The Path from Cellulose to Ethanol,从秸杆到乙醇燃料,24/58,Crystalline Region,Amorphous Region,Cellulose,Lignin,Hemicellulose,Pretreatment,预处理作用,预处理,纤维素,木质素,无定形区,结晶区,半纤维素,25/58,$/gal EtOH,稀酸,热水,气爆,气渗,石灰,预处理效果和费用,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,26/58,-glucoside,内切葡聚糖酶,外切葡聚糖酶,纤维二糖水解酶,纤维二糖酶,纤维素,葡聚糖,纤维二糖,葡萄糖,纤维素水解,纤维素水解由纤维素酶系完成,纤维素酶系含最少三种酶，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36-45%,效率常低,产物反馈抑制,受预处理影响,27/58,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,28/58,基因工程酵母技术可行性,酵母适合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示已经有先例(Kondo et al.),29/58,基因工程酵母技术优势,低成本,无须高消耗预处理,无须价格昂贵纤维素酶,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，适合离秸杆源近农村建厂，处理三农问题,30/58,木质素水解酶酵母,CHO,OCH,3,OH,H,CHO,OCH,3,OH,H,CHO,OCH,3,OH,H,木质素过氧化物酶,Lignin perioxidase,锰过氧化物酶,Manganese peroxidase,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,31/58,半纤维素酶酵母,CHO,OCH,3,OH,H,CHO,OCH,3,OH,H,CHO,OCH,3,OH,H,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,32/58,纤维素酶酵母,CHO,OCH,3,OH,H,CHO,OCH,3,OH,H,CHO,OCH,3,OH,H,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,CHO,OCH,3,OH,H,CHO,OCH,3,OH,H,33/58,五碳糖代谢酵母,木糖还原 酶,Xylose Reductase,木糖醇脱氢酶,Xylitol Dehydrogenase,木酮糖激酶,Xylulokinase,CHO,OCH,3,OH,H,CHO,OCH,3,OH,H,H-C-C-OH,H,|,H,|,|,H,|,H,34/58,基因工程酵母成功要素,基因源,从腐生微生物，白蚁,、消化道微生物,基因或菌株组合,酶组成,酶百分比,重组基因,优化起动子到达最正确表示调控,产物到位,酶性能优化,35/58,乙醇燃料电池,日本东芝企业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。,36/58,我国从开始推广“车用乙醇汽油”。,37/58,酒精发酵罐,38/58,1、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部分酒精，发酵罐采取密闭式顶有些人孔，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，在近罐底装有些人孔。,39/58,2.发酵冷却装置,中小型发酵罐，多采取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。,40/58,3,.,洗涤装置,：水力喷射洗涤装置。,41/58,二.酒精发酵罐计算,（一）发酵罐结构尺寸,发酵罐全体积：,式中V,发酵罐代表容积 V,0,进入发酵罐发酵液量,装液系数，普通取=0.850.90 带有锥形底、盖圆柱形 发酵罐全容积为：,42/58,酒精发酵罐其罐体高度、底、盖高度和罐径尺寸关系可推荐以下：,H=1.1,-,1.5D,h,1,=0.1-0.14D,h,1,=0.05-0.1D,依据发酵全容积V和径高比等，即可确定发酵罐结构尺寸。,43/58,(二）发酵罐罐数确实定,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小时内进行加料发酵罐数目（个）,t一次发酵罐周期所需要时间（小时),44/58,（三）发酵罐冷却面积计算,式中,Q,总发酵热,（,J/h,）,K,传热总系数,J/（m,2,h）,t,m,对数平均温度差,F,冷却面积,（,m,2,）,发酵罐冷却面积计算可按传热基本方程式来确定，即：,45/58,(1),操作开始：糖液及酵母同时加入1-3罐至满，停顿加酵母，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），停顿流加糖液，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，一直处于主发酵状态，在这一阶段中酵母处增殖阶段，并同时伴随发酵醪中淀粉和糊精继续被糖化而后几个罐则起后发酵作用。10、11号为计量罐。,1、淀粉质原料发酵酒精流程,46/58,2、,糖蜜发酵酒精流程,47/58,48/58,49/58,50/58,51/58,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),52/58,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,53/58,萃取蒸餾法酒精脫水流程圖,萃取劑,含水酒精,無水酒精,54/58,分子篩吸附法酒精脫水流程圖,無水酒精,抽真空,含水酒精,55/58,滲透汽化膜分離法酒精脫水流程圖,56/58,生物质乙醇工艺,传统成熟工艺-采取糖类，粮食类作物发酵法制备乙醇，60%价格-成本,传统经济项目标评价:,成本为汽油,1.5-2倍,左右,，6-12$/GJ,.,原料:蔗糖，木薯，甜菜，甜高粱，玉米，小麦，稻谷等。,57/58,非粮食类生物质酶水解乙醇经济预测,58/58,