能源生物工程总复习省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1能源生物工程能源生物工程总复习总复习1.沼气技术沼气技术2.燃料乙醇燃料乙醇3.生物制氢生物制氢4.生物柴油生物柴油第第1页页2沼气技术沼气技术第第2页页3什么是沼气？什么是沼气？平均热值：约平均热值：约21 520 kJ/m3 合合1.45立方煤气或立方煤气或0.69立方天然气立方天然气甲烷CH4（50%70%）、）、CO2（30%40%）、）、H2、N2、CO、H2S、NH3 沼气沼气沼泽？沼泽？Marsh gas 第第3页页4原料原料纤维素：纤维素：葡萄糖葡萄糖-原纤维原纤维-微纤维微纤维-纤维素，难水解；纤维素，难水解；半纤维素：半纤维素：由由26个不一样糖苷组成，分子量小，聚合度低，位个不一样糖苷组成，分子量小，聚合度低，位 于许多纤维素之间，易水解；于许多纤维素之间，易水解；木质素：木质素：是一类由苯丙烷单元经过醚键和碳是一类由苯丙烷单元经过醚键和碳-碳键联结成、含有碳键联结成、含有 三维结构芳香族化合物，填充于纤维素框架间；三维结构芳香族化合物，填充于纤维素框架间；木质素和半纤维素包裹着纤维素，使酶难以和纤维素进行接触水木质素和半纤维素包裹着纤维素，使酶难以和纤维素进行接触水解。不一样种类原料含三种物质含量不一样。解。不一样种类原料含三种物质含量不一样。淀粉：淀粉：葡萄糖经过葡萄糖经过糖苷糖苷键结键结合形成聚合物；合形成聚合物；蛋白蛋白质质：由氨基酸由氨基酸单单体聚合而成；体聚合而成；第第4页页5复杂有机物复杂有机物（多糖、脂肪、蛋白质等）（多糖、脂肪、蛋白质等）可溶性物质可溶性物质（单糖、脂肪酸、氨基酸等）（单糖、脂肪酸、氨基酸等）丙酸、丁酸、长丙酸、丁酸、长链脂肪酸链脂肪酸H2+CO2CH3COOHCH4+H2OCH4+H2OCH4（50%70%）、）、CO2（30%40%）、）、H2、N2、CO、H2S、NH3 水解发酵性细菌水解发酵性细菌产氢产酸菌产氢产酸菌耗氢产酸菌耗氢产酸菌食氢产甲烷菌食氢产甲烷菌食酸产甲烷菌食酸产甲烷菌不产甲烷菌群不产甲烷菌群产甲烷菌群产甲烷菌群共营共营 沼气厌氧发酵基本原理沼气厌氧发酵基本原理沼气厌氧发酵基本原理沼气厌氧发酵基本原理 第第5页页6（1）纤维素降解）纤维素降解 半纤维素半纤维素半纤维素酶半纤维素酶多缩糖酶多缩糖酶木糖木糖/甘露糖甘露糖/葡萄糖葡萄糖+糖醛酸糖醛酸（2）半纤维素降解）半纤维素降解 糖类降解糖类降解 （二）水解发酵（二）水解发酵第第6页页7（3）淀粉降解）淀粉降解 果胶果胶果胶水解、裂解酶果胶水解、裂解酶果胶酸水解、裂解酶果胶酸水解、裂解酶半乳糖醛酸半乳糖醛酸+甲醇甲醇（4）果胶降解）果胶降解 第第7页页8糖酵解路径糖酵解路径 （Embden-Mayerhof-Parnas，EMP）是葡萄糖分解产生丙酮酸和是葡萄糖分解产生丙酮酸和ATP系列反应过程系列反应过程 单糖降解（厌氧发酵）单糖降解（厌氧发酵）糖酵解（糖酵解（EMP）、单磷酸己糖（）、单磷酸己糖（HMP）、）、脱氧酮糖脱氧酮糖（ED）、）、磷酸解酮酶（磷酸解酮酶（PK）四种路径。）四种路径。第第8页页9糖糖酵酵解解路路径径第第9页页10丙酮酸深入分解丙酮酸深入分解 -87.0kJ/mol-77.4-66.9-38.9-25.1摩尔反应吉布斯函数摩尔反应吉布斯函数 第第10页页11脂类降解脂类降解 第第11页页12脂肪酸脂肪酸-氧化氧化第第12页页13乙酰乙酰CoA 参加合成代谢参加合成代谢 TCA循环分解为二氧化碳和水循环分解为二氧化碳和水 生成丙酮酸、乙酰乙酸等有机酸生成丙酮酸、乙酰乙酸等有机酸 琥珀酰琥珀酰CoA TCA循环循环 丙酮酸丙酮酸 第第13页页14蛋白质代谢蛋白质代谢 胺胺 醛醛 有机酸有机酸 胺氧化酶胺氧化酶 醛脱氢酶醛脱氢酶 H2O蛋白质蛋白质 多肽多肽 氨基酸氨基酸 蛋白酶蛋白酶 肽酶肽酶 脱氨基脱氨基 脱羧基脱羧基 第第14页页15（二）产氢产乙酸（二）产氢产乙酸 第一阶段水解产生有机酸、醇类，除乙酸、甲酸、甲醇外均不能第一阶段水解产生有机酸、醇类，除乙酸、甲酸、甲醇外均不能被产甲烷菌利用，必须由产氢产乙酸菌将其转化为乙酸、氢和二氧被产甲烷菌利用，必须由产氢产乙酸菌将其转化为乙酸、氢和二氧化碳，主要反应过程有化碳，主要反应过程有丙酸丙酸 CH3CH2COOH+2H2O CH3COOH+CO2+3H2丁酸丁酸 CH3CH2CH2COOH+2H2O 2CH3COOH+2H2乙醇乙醇 CH3CH2OH+2H2O CH3COOH+CO2+2H2乳酸乳酸 CH3CHOHCOOH+H2O CH3COOH+CO2+H276.1kJ/mol48.119.2第第15页页16产氢产乙酸菌与产甲烷菌共营关系产氢产乙酸菌与产甲烷菌共营关系 产氢产乙酸菌为产甲烷菌提供底物；产氢产乙酸菌为产甲烷菌提供底物；产甲烷菌为产氢产乙酸菌消除产物抑制。产甲烷菌为产氢产乙酸菌消除产物抑制。第第16页页17 能够利用己糖、戊糖、多元醇、糖醛酸、丝氨酸、谷氨酸、乳酸、能够利用己糖、戊糖、多元醇、糖醛酸、丝氨酸、谷氨酸、乳酸、3羧基丁酮和乙醇等形成乙酸，同时，它又能代谢氢和二氧化碳为羧基丁酮和乙醇等形成乙酸，同时，它又能代谢氢和二氧化碳为乙酸乙酸。（三）耗氢产乙酸菌群（三）耗氢产乙酸菌群2CO2+4H2 CH3COOH+2H2OC6H12O6 3CH3COOH经典菌株：伍德乙酸杆菌经典菌株：伍德乙酸杆菌第第17页页18（四）产甲烷菌群（四）产甲烷菌群 在严格厌氧条件下，产甲烷细菌能将发酵性细菌、产氢产乙酸菌在严格厌氧条件下，产甲烷细菌能将发酵性细菌、产氢产乙酸菌和耗氢产乙酸菌终产物（乙酸、氢和二氧化碳）转化为甲烷、二氧化和耗氢产乙酸菌终产物（乙酸、氢和二氧化碳）转化为甲烷、二氧化碳和水。碳和水。氢氢/二氧化碳二氧化碳 4H2+CO2 CH4+2H2O甲酸甲酸 4HCOOH CH4+2H2O+3CO2 甲醇甲醇 4CH3OH 3CH4+2H2O+CO2 乙酸乙酸 4CH3COOH CH4+CO2 第第18页页19复杂有机物复杂有机物（多糖、脂肪、蛋白质等）（多糖、脂肪、蛋白质等）可溶性物质可溶性物质（单糖、脂肪酸、氨基酸等）（单糖、脂肪酸、氨基酸等）丙酸、丁酸、长丙酸、丁酸、长链脂肪酸链脂肪酸H2+CO2CH3COOHCH4+H2OCH4+H2OCH4（50%70%）、）、CO2（30%40%）、）、H2、H2S、NH3 水解发酵性细菌水解发酵性细菌产氢产酸菌产氢产酸菌耗氢产酸菌耗氢产酸菌不产甲烷菌群不产甲烷菌群产甲烷菌群产甲烷菌群 消化阶段消化阶段（发酵、液化）（发酵、液化）产产氢氢、产产酸酸阶段阶段产甲烷阶段产甲烷阶段食氢产甲烷菌食氢产甲烷菌食酸产甲烷菌食酸产甲烷菌厌氧发酵原理厌氧发酵原理共营共营 第第19页页20厌氧发酵条件厌氧发酵条件（1）发酵原料评定）发酵原料评定 评定指标：总固体物、悬浮固体、挥发性固体、挥发性悬浮固体、评定指标：总固体物、悬浮固体、挥发性固体、挥发性悬浮固体、化学耗氧量、生化耗氧量。化学耗氧量、生化耗氧量。总固体物（总固体物（TS）即干物质量，是指原料烘干后质量占原有质量百分数，包含可即干物质量，是指原料烘干后质量占原有质量百分数，包含可溶性和不可溶性固体。溶性和不可溶性固体。悬浮固体（悬浮固体（SS）即不可溶性固体，指不能经过过滤器（普通为滤纸）固体物。即不可溶性固体，指不能经过过滤器（普通为滤纸）固体物。第第20页页21挥发性固体（挥发性固体（VS）总固体物中，除总固体物中，除灰分灰分(泥沙等无机物泥沙等无机物)外有机物质。有机物在高外有机物质。有机物在高温（温（55050OC）下热解挥发，挥发质量占总质量比值即为挥发性固）下热解挥发，挥发质量占总质量比值即为挥发性固体物百分含量。体物百分含量。挥发性悬浮固体（挥发性悬浮固体（VS）悬浮固体中挥发性固体悬浮固体中挥发性固体,普通用百分含率表示。普通用百分含率表示。化学耗氧量（化学耗氧量（COD）利用重铬酸钾完全氧化水中有机物时所消耗氧量。可准确反应有利用重铬酸钾完全氧化水中有机物时所消耗氧量。可准确反应有机物量。机物量。第第21页页22生化耗氧量（生化耗氧量（BOD）利用微生物有氧分解水中有机物时所消耗氧量，普通以利用微生物有氧分解水中有机物时所消耗氧量，普通以5天为基天为基准，可反应可被微生物分解有机物量。准，可反应可被微生物分解有机物量。BOD/COD可用于评价有机物可降解性可用于评价有机物可降解性生化耗氧量（生化耗氧量（BOD）利用微生物有氧分解水中有机物时所消耗氧量，普通以利用微生物有氧分解水中有机物时所消耗氧量，普通以5天为基天为基准，可反应可被微生物分解有机物量。准，可反应可被微生物分解有机物量。产气速率产气速率 不一样原料被降解速率不一样（纤维素等不易降解、而淀粉等易不一样原料被降解速率不一样（纤维素等不易降解、而淀粉等易降解），产气速率可反应原料结构特征。降解），产气速率可反应原料结构特征。TS：Total Solids SS:Suspended Solid VS:Volatile Solid VSS:Volatile Suspended SolidCOD：Chemical Oxygen Demand BOD：Biochemical Oxygen Demand VFA：Volatile Fatty Acids TN：Total Nitrogen第第22页页23（2）活性污泥）活性污泥厌氧消化细菌厌氧消化细菌+悬浮物悬浮物+胶体物质胶体物质=活性污泥活性污泥色泽：黑色（硫化氢作用）色泽：黑色（硫化氢作用）形状：絮状、颗粒状、膜状（生物膜、固定膜）形状：絮状、颗粒状、膜状（生物膜、固定膜）计量：计量：kg VSS/m3活性污泥浓度越大，产气率越大活性污泥浓度越大，产气率越大（3）温度）温度高温发酵：高温发酵：4660oC 55oC 产气率高，能耗大。产气率高，能耗大。中温发酵：中温发酵：2545oC 35oC 产气率相对低，但能耗低，总效率高。产气率相对低，但能耗低，总效率高。起源：旧沼气池、下水道、湖泊、池塘、粪池、食品加工厂等污泥起源：旧沼气池、下水道、湖泊、池塘、粪池、食品加工厂等污泥第第23页页24（4）pH值值最适最适pH值：值：6.87.4 5.5以下产甲烷菌完全受抑制以下产甲烷菌完全受抑制影响影响pH值原因：值原因：原料：如酒精废醪、丙酸丁醇废醪（原料：如酒精废醪、丙酸丁醇废醪（pH3.55.5）负荷：产酸菌与产甲烷菌平衡失调负荷：产酸菌与产甲烷菌平衡失调原料：含有没有机强酸碱，如味精废水、造纸废水原料：含有没有机强酸碱，如味精废水、造纸废水（5）负荷）负荷消化器所承受有机物量，消化器所承受有机物量，kg COD/（m3d）。）。影响原因：影响原因：活性污泥量、活性；原料结构；工艺类型活性污泥量、活性；原料结构；工艺类型 第第24页页25（6）原料碳氮比）原料碳氮比开启时开启时HRT 第第32页页33微生物滞留期（微生物滞留期（Microbe Residence Time，MRT）微生物细胞从生成到被置换出消化器时间。微生物细胞从生成到被置换出消化器时间。MRT大于增代时间：大于增代时间：微生物积累并最终到达平衡，有利于发酵微生物积累并最终到达平衡，有利于发酵；MRT等于增代时间：等于增代时间：微生物数量维持平衡；微生物数量维持平衡；MRT小于增代时间：小于增代时间：微生物流失，数量逐步降低，发酵失败；微生物流失，数量逐步降低，发酵失败；第第33页页342.4.2 2.4.2 厌氧消化器厌氧消化器 按储气方式：水压式、浮罩式、气袋式；按储气方式：水压式、浮罩式、气袋式；按发酵机制：常规型、污泥滞留型、附着膜型。按发酵机制：常规型、污泥滞留型、附着膜型。类型类型滞留期特征滞留期特征消化器举例消化器举例常规型常规型MRT=SRT=HRT常规消化器常规消化器塞流式塞流式全混合式全混合式污泥滞留型污泥滞留型（MRT和和SRT）HRT厌氧接触工艺厌氧接触工艺升流式固体反应器升流式固体反应器升流式厌氧污泥床升流式厌氧污泥床折流式折流式附着膜型附着膜型MRT(SRT和和HRT)厌氧滤器厌氧滤器流化床和膨胀床流化床和膨胀床第第34页页35消化器体积消化器体积 V1消化液体积消化液体积(消化器有效容积消化器有效容积),m3；Q每日进料量，每日进料量，kg/d；c0原料中干物质含量原料中干物质含量,%；HRT水力滞留期水力滞留期,d；q消化液固体物含量，消化液固体物含量，%；消化液密度，消化液密度，kg/m3.有效容积有效容积储气容积储气容积 总体积总体积 第第35页页36脱水脱水 1.满足配送需要：水冷凝产生输送阻力；满足配送需要：水冷凝产生输送阻力；2.满足脱硫工艺需要：干法脱硫；满足脱硫工艺需要：干法脱硫；3.满足燃烧需要：水使热值降低，腐蚀满足燃烧需要：水使热值降低，腐蚀性增大；性增大；气水分离器气水分离器 第第36页页37冷凝水分离器冷凝水分离器 自动排水自动排水 手动排水手动排水 第第37页页38脱硫脱硫 1.满足配送需要：对管道和设备腐蚀；满足配送需要：对管道和设备腐蚀；2.满足环境保护需要：空气污染；满足环境保护需要：空气污染；3.满足燃烧需要：腐蚀灶具；满足燃烧需要：腐蚀灶具；干法脱硫干法脱硫 Fe2O3H2O+3H2S Fe2S3H2O+3H2O+63kJFe2S3H2O+1.5O2 Fe2O3H2O+3S+609kJ第第38页页39干法脱硫干法脱硫 第第39页页40燃料乙醇燃料乙醇 第第40页页41乙醇发酵基本原理乙醇发酵基本原理 原料原料 （1）糖（质类）（小分子糖）：甜菜、甜高粱、玉米；）糖（质类）（小分子糖）：甜菜、甜高粱、玉米；（2）淀粉质：甘薯、木薯、马铃薯、玉米、高粱、小麦、陈）淀粉质：甘薯、木薯、马铃薯、玉米、高粱、小麦、陈化粮等；化粮等；（3）纤维素原料：农作物秸秆、林业废弃物、甘蔗渣、城市）纤维素原料：农作物秸秆、林业废弃物、甘蔗渣、城市固体废弃物。纤维质原料主要包含纤维素、半纤维素、固体废弃物。纤维质原料主要包含纤维素、半纤维素、木质素，纤维素、木质素充填于纤维素链间，使纤维素木质素，纤维素、木质素充填于纤维素链间，使纤维素难以被水解，同时，半纤维素生成难以被水解，同时，半纤维素生成5炭糖不能被酵母利炭糖不能被酵母利用，所以纤维素原料难以发酵。用，所以纤维素原料难以发酵。第第41页页42淀粉质原料发酵生产乙醇淀粉质原料发酵生产乙醇试管试管 大米大米 米曲米曲 曲汁曲汁 米米曲曲霉霉 曲霉菌曲霉菌 麸皮麸皮 三角瓶三角瓶 种曲种曲 糖化曲糖化曲 糖化糖化 蒸煮蒸煮粉碎粉碎淀粉原料淀粉原料 三角瓶三角瓶 卡代罐卡代罐 小酒母小酒母 试管试管 曲霉菌曲霉菌 试管试管 酵母菌酵母菌 大米大米 米曲米曲 曲汁曲汁 大米大米 米曲米曲 曲汁曲汁 米米曲曲霉霉 酒母糖酒母糖化酶化酶 大酒母大酒母 发酵发酵 蒸馏蒸馏 酒糟酒糟 乙醇乙醇 杂醇油杂醇油 CO2 第第42页页43 用淀粉质原料生产酒精时，在进行乙醇发酵之前，一定要先用淀粉质原料生产酒精时，在进行乙醇发酵之前，一定要先将淀将淀粉粉全部或部分全部或部分转化转化成葡萄糖等成葡萄糖等可发酵性糖可发酵性糖，这种淀粉转化为糖过程称，这种淀粉转化为糖过程称为为糖化糖化，所用催化剂称为，所用催化剂称为糖化剂糖化剂。糖化剂分成固体曲、液体曲和糖化酶，用麸皮为主要原料制成糖化剂分成固体曲、液体曲和糖化酶，用麸皮为主要原料制成固固体曲体曲叫麸曲，采取液体深层通风培养称为叫麸曲，采取液体深层通风培养称为液体曲液体曲，经提取纯化得到酶，经提取纯化得到酶制剂为制剂为糖化酶糖化酶。固体曲制备：固体曲制备：机械通风制曲机械通风制曲工艺包含三角瓶种曲培养、帘子工艺包含三角瓶种曲培养、帘子种曲制备和机械通风制曲等几个工段。经典曲霉：根霉、曲酶。种曲制备和机械通风制曲等几个工段。经典曲霉：根霉、曲酶。液体曲制备：液体曲制备：液体曲生产工艺过程包含种子制备、液体曲发酵液体曲生产工艺过程包含种子制备、液体曲发酵和无菌空气制备三部分。和无菌空气制备三部分。酶制剂制备：酶制剂制备：从固体曲、液体曲经提取酶并纯化。从固体曲、液体曲经提取酶并纯化。糖化剂制备糖化剂制备 第第43页页44酒母制备酒母制备三角瓶三角瓶 卡代罐卡代罐 小酒母小酒母 试管试管 酵母菌酵母菌 大米大米 米曲米曲 曲汁曲汁 米米曲曲酶酶 酒母酒母糖化醪糖化醪大酒母大酒母 批次、半连续、连续批次、半连续、连续 第第44页页45发酵主体工艺发酵主体工艺糖化曲糖化曲 糖化糖化 蒸煮蒸煮粉碎粉碎淀粉原料淀粉原料 大酒母大酒母 发酵发酵 蒸馏蒸馏 酒糟酒糟 乙醇乙醇 杂醇油杂醇油 CO2 第第45页页46原料输送：机械法原料输送：机械法 第第46页页47原料输送：气流法原料输送：气流法 第第47页页48 粉碎目标主要是增加原料粉碎目标主要是增加原料受热面积受热面积，有利于淀粉颗粒，有利于淀粉颗粒吸水膨胀吸水膨胀，糊化糊化，缩短后续热处理时间，提升热处理效率。另外，粉末原料加水，缩短后续热处理时间，提升热处理效率。另外，粉末原料加水混合后轻易流动输运。混合后轻易流动输运。原料粉碎方法要分为干粉碎和湿粉碎两种。当前国内大多采取于原料粉碎方法要分为干粉碎和湿粉碎两种。当前国内大多采取于粉碎法，设备大多采取锤式粉碎机，采取粗碎和细碎两级粉碎工艺，粉碎法，设备大多采取锤式粉碎机，采取粗碎和细碎两级粉碎工艺，经细粉碎后颗粒普通小于经细粉碎后颗粒普通小于2.0mm。湿粉碎时，将蒸煮所需水量和原料。湿粉碎时，将蒸煮所需水量和原料一起加入粉碎机中，原料粉末不飞扬，省去除尘通风设备，但粉碎后一起加入粉碎机中，原料粉末不飞扬，省去除尘通风设备，但粉碎后粉料不能储存，宜马上用于生产。粉料不能储存，宜马上用于生产。粉粉 碎碎 第第48页页49其它：其它：辊式粉碎机；鄂式破碎机辊式粉碎机；鄂式破碎机 第第49页页50蒸煮蒸煮淀粉质原料吸水后在高温高压下蒸煮，能够淀粉质原料吸水后在高温高压下蒸煮，能够破坏植物组织和细胞破坏植物组织和细胞，使淀粉彻底糊化使淀粉彻底糊化、液化液化，使蒸煮物料成为均一糊化醪，为深入淀粉转化，使蒸煮物料成为均一糊化醪，为深入淀粉转化为糖创造良好条件；其次蒸料还有为糖创造良好条件；其次蒸料还有灭菌灭菌作用。作用。按投料方式按投料方式 连续蒸煮：连续蒸煮：罐式、管式、柱式；罐式、管式、柱式；间歇蒸煮：间歇蒸煮：罐；罐；按蒸煮温度按蒸煮温度 高温蒸煮：高温蒸煮：120140速度快、能耗大；速度快、能耗大；低温蒸煮：低温蒸煮：100双酶法，需酶、能耗低；双酶法，需酶、能耗低；无蒸煮：无蒸煮：生料加酶直接糖化，用酶量大，效率偏低；生料加酶直接糖化，用酶量大，效率偏低；第第50页页51高温蒸煮过程化学改变高温蒸煮过程化学改变木糖分解木糖分解 H2O CH3OH 果胶质分解果胶质分解 糖类分解糖类分解 糖（果糖）糖（果糖）焦糖焦糖 第第51页页52糖化糖化酸水解：高温、高压、酸催化酸水解：高温、高压、酸催化 酶水解酶水解（双酶）：中温、常压、酶催化（双酶）：中温、常压、酶催化 酸酶法：酸液化、酶糖化酸酶法：酸液化、酶糖化 糖化工艺：间歇式、连续式糖化工艺：间歇式、连续式 在一定条件下（温度、在一定条件下（温度、pH），经过催化剂作用，将淀粉部），经过催化剂作用，将淀粉部分或全部水解为可发酵性糖工艺过程。分或全部水解为可发酵性糖工艺过程。第第52页页53淀粉结构淀粉结构 淀淀粉粉颗颗粒粒-1,6-糖苷键糖苷键 -1,4-糖苷键糖苷键 第第53页页54淀粉霉与淀粉水解淀粉霉与淀粉水解 -淀粉酶淀粉酶 -淀粉酶淀粉酶 第第54页页55异淀粉酶异淀粉酶 葡萄糖淀粉酶葡萄糖淀粉酶 异淀粉酶：异淀粉酶：R酶、脱枝酶酶、脱枝酶 葡萄糖淀粉酶：糖化酶；葡萄糖淀粉酶：糖化酶；-淀粉酶淀粉酶 第第55页页56转移转移葡萄糖葡萄糖苷酶苷酶潘糖潘糖 麦芽糖麦芽糖 麦芽糖麦芽糖 第第56页页57Pi 糊精糊精 磷酸糊精磷酸糊精 磷酸酯酶磷酸酯酶 Pi+蛋白质蛋白质 蛋白酶蛋白酶 氨基酸氨基酸 纤维素纤维素 纤维素酶纤维素酶 葡萄糖葡萄糖 第第57页页58半乳糖醛酸甲酯半乳糖醛酸甲酯 H2O CH3OH 果胶质分解果胶质分解 果胶酶果胶酶第第58页页59发酵发酵微生物利用可发酵性糖，经过本身代谢生成乙醇和其它发酵副产微生物利用可发酵性糖，经过本身代谢生成乙醇和其它发酵副产物过程。物过程。糖代谢主要路径：糖代谢主要路径：酵母：酵母：EMP路径、路径、HMP路径（五碳糖代谢主要路径）；路径（五碳糖代谢主要路径）；细菌：细菌：ED路径；路径；杂菌：杂菌：PK，产生酸；，产生酸；发酵工艺：间歇式、半连续式、连续式；发酵工艺：间歇式、半连续式、连续式；第第59页页60EMP 葡萄糖葡萄糖 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 ATP ADP 己糖激酶己糖激酶 6-磷酸果糖磷酸果糖 磷酸己糖磷酸己糖 异构酶异构酶ATP ADP 1，6-二磷酸果糖二磷酸果糖 磷酸果糖磷酸果糖激酶激酶Mg2+Mg2+3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 1,3-二羟基丙酮二羟基丙酮 醛缩酶醛缩酶Zn2+Ca2+Co2+异异 构构 酶酶 NAD NADH2 1,3-二磷酸甘油醛二磷酸甘油醛磷酸磷酸 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 脱氢酶脱氢酶3-磷酸甘油磷酸甘油 磷酸磷酸 甘油脱甘油脱 氢酶氢酶ADP ATP 甘油甘油 3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸酯酶磷酸酯酶 第第60页页611,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 ADP ATP 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 磷酸甘油酸磷酸甘油酸 激酶激酶Mg2+Zn2+烯醇化酶烯醇化酶Mg2+Mn2+2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 磷酸甘油酸磷酸甘油酸 变位酶变位酶H2O 2-磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸ADP ATP 烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸 Mg2+丙酮酸激酶丙酮酸激酶丙酮酸丙酮酸 CO2 乙醛乙醛 丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶Mg2+NADH2 NAD 乙醇乙醇 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶乳酸乳酸 激酶激酶/磷酸化酶磷酸化酶异构酶异构酶变位酶变位酶脱氢酶脱氢酶脱羧酶脱羧酶pH:4.55.5以下三种情况不能正常生产乙醇：以下三种情况不能正常生产乙醇：1.发酵早期，乙醛没有产生；发酵早期，乙醛没有产生；2.添加亚硫酸氢钠添加亚硫酸氢钠 乙醛乙醛+亚硫酸氢钠亚硫酸氢钠乙醛亚硫酸氢乙醛亚硫酸氢钠加成物（沉淀）钠加成物（沉淀）3.碱性条件碱性条件 2乙醛乙醛+水水乙醇乙醇+乙酸乙酸 第第61页页62总反应总反应:6 葡萄糖葡萄糖-6-P 5 葡萄糖葡萄糖-6-P+12 NADPH2+6 CO2+Pi磷酸戊糖路径磷酸戊糖路径 HMP第第62页页63EDED路径路径 葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖 6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸 2-酮酮-3脱氧脱氧-6-磷酸磷酸-葡萄糖酸葡萄糖酸 ATP ADP NADP+NADPH2 激酶激酶 氧化酶氧化酶 脱水酶脱水酶 3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 丙酮酸丙酮酸 醛缩酶醛缩酶 EMP路径路径 乙醛乙醛 乙醇乙醇 第第63页页64磷酸戊糖解同酶路径磷酸戊糖解同酶路径PK路径路径 第第64页页65发酵主要副产物生成发酵主要副产物生成正常发酵条件下琥珀酸和甘油生成正常发酵条件下琥珀酸和甘油生成 C6H12O6 葡萄糖葡萄糖COOHCH2CH2CHNH2COOH 谷氨酸谷氨酸 H2O +COOHCH2CH2COOH 琥珀酸琥珀酸 C3H8O3 甘油甘油NH3CO2+杂醇油主要是原料中蛋白质水解产生杂醇油主要是原料中蛋白质水解产生氨基酸氨基酸，氨基被酵母作为，氨基被酵母作为氮源利用，余下部分经脱羧作用生成。氮源利用，余下部分经脱羧作用生成。杂醇油产生杂醇油产生 有机酸产生有机酸产生 由感染杂菌代谢生成。如乙酸发酵、乳酸发酵、丁酸发酵等。由感染杂菌代谢生成。如乙酸发酵、乳酸发酵、丁酸发酵等。第第65页页66经典蒸馏流程经典蒸馏流程 蒸馏蒸馏气相进塔双塔流程气相进塔双塔流程 利用发酵醪中各利用发酵醪中各物质挥发性差异，经物质挥发性差异，经过蒸馏方法分离得到过蒸馏方法分离得到纯度较高乙醇及其副纯度较高乙醇及其副产物。产物。第第66页页67液相进塔双塔流程液相进塔双塔流程 第第67页页68无水乙醇制取无水乙醇制取当前，制备无水乙醇方法主要有当前，制备无水乙醇方法主要有氧化钙脱水法；氧化钙脱水法；分子筛脱水法；分子筛脱水法；共沸精馏法等。共沸精馏法等。第第68页页69生物制氢生物制氢 第第69页页70生物制氢生物制氢与传统化学制氢方法相比，生物制氢含有没有污染、可再生和不与传统化学制氢方法相比，生物制氢含有没有污染、可再生和不消耗宝贵矿物资源突出优点。消耗宝贵矿物资源突出优点。按培养条件：光合生物制氢（藻类、光合细菌）、发酵细菌制氢按培养条件：光合生物制氢（藻类、光合细菌）、发酵细菌制氢（固氮作用等）、光合生物和发酵细菌联合培养制氢。（固氮作用等）、光合生物和发酵细菌联合培养制氢。按产氢机制：光裂解制氢；光发酵制氢、暗发酵制氢；按产氢机制：光裂解制氢；光发酵制氢、暗发酵制氢；第第70页页71第第71页页72光反应主要蛋白光反应主要蛋白舞台舞台 主演主演 配角配角第第72页页73光吸收与传递光吸收与传递 色素分子能态色素分子能态激激发态命运命运1.1.放放热2.2.发射射荧光与磷光光与磷光3.3.色色素素分分子子间能能量量传递 4.4.光化学反光化学反应第第73页页74原初反应原初反应是指是指从光合色素分子从光合色素分子被光激发被光激发，发生能量传递，到引发第一个，发生能量传递，到引发第一个光化学反应光化学反应为止过程。为止过程。物理过程：光吸收：天线色素物理过程：光吸收：天线色素 传递：激子传递、共振传递传递：激子传递、共振传递化学过程：电子传递化学过程：电子传递 p680p680*p680+p680p680*p680+第第74页页75第第75页页76第第76页页77电子传递过程能态改变电子传递过程能态改变第第77页页78电子传递类型电子传递类型依据电子传递到依据电子传递到FdFd后去向，将光合电子传递分为三种类型：后去向，将光合电子传递分为三种类型：非环非环式、环式和假环式。式、环式和假环式。非环式非环式第第78页页79环式环式环式电子传递不发环式电子传递不发生生H H2 2O O氧化，也不形成氧化，也不形成NADPHNADPH，但有，但有H H+跨膜运输，可产生跨膜运输，可产生ATPATP，每传递一个电子需要，每传递一个电子需要吸收一个光量子。吸收一个光量子。环式电子传递多存环式电子传递多存在于无在于无PSPS生物中。生物中。第第79页页80光裂解产氢原理光裂解产氢原理经典微生物：绿藻、蓝藻（蓝细菌）经典微生物：绿藻、蓝藻（蓝细菌）？H2 固氮酶固氮酶 氢氢 酶酶 ADP+Pi 第第80页页81光合细菌产氢光合细菌产氢光发酵作用光发酵作用 质子和电子源自呼吸链质子和电子源自呼吸链经典代表：经典代表：紫色硫细菌紫色硫细菌紫色非硫细菌紫色非硫细菌第第81页页82暗发酵法制氢暗发酵法制氢丙酮酸脱氢路径丙酮酸脱氢路径葡萄糖葡萄糖 丙酮酸丙酮酸 EMP第第82页页83暗发酵法制氢暗发酵法制氢甲酸裂解路径甲酸裂解路径辅酶辅酶氧还平衡调整产氢氧还平衡调整产氢第第83页页84暗发酵过程暗发酵过程NADH产生产生 第第84页页85产氢产乙酸菌产氢作用产氢产乙酸菌产氢作用丙酸丙酸 CH3CH2COOH+2H2O CH3COOH+CO2+3H2丁酸丁酸 CH3CH2CH2COOH+2H2O 2CH3COOH+2H2乙醇乙醇 CH3CH2OH+2H2O CH3COOH+CO2+2H2乳酸乳酸 CH3CHOHCOOH+H2O CH3COOH+CO2+H276.1kJ/mol48.119.2发酵法制氢优势发酵法制氢优势发酵法生物制氢技术产氢稳定性好发酵法生物制氢技术产氢稳定性好发酵产氢细菌产氢能力较高发酵产氢细菌产氢能力较高发酵细菌生长速率快；发酵细菌生长速率快；制氢成本低制氢成本低第第85页页86变压吸附法（变压吸附法（Pressure Swing Adsorption，PSA）吸附吸附降压解吸降压解吸逐层升压逐层升压吸附，各塔轮换操作吸附，各塔轮换操作第第86页页87膜分离技术膜分离技术高分子膜、金属膜（钯）高分子膜、金属膜（钯）氢经过钯膜分离过程氢经过钯膜分离过程 一次侧（高压侧）分子氢吸一次侧（高压侧）分子氢吸附到钯表面；附到钯表面；氢离解，形成原子氢；氢离解，形成原子氢；氢原子在渗透压作用下在膜氢原子在渗透压作用下在膜中扩散；中扩散；钯催化能量使原子氢会合成钯催化能量使原子氢会合成份子氢；份子氢；分子氢脱离膜。分子氢脱离膜。第第87页页883.3.2 氢存放氢存放氢体积能量密度是天然气氢体积能量密度是天然气1/3，石油，石油1/3000.氢密度（氢密度（g/L）氢含量（氢含量（wt%）氢气（标准状态）氢气（标准状态）压缩氢气（压缩氢气（35MPa）液态氢（液态氢（20K）氢吸储合金（氢吸储合金（LaNi5H6）0.0924711051001001001.4压力（压力（MPa）0.101310253570100压缩因子压缩因子11.0651.1661.2361.4891.702氢气压缩因子：实际体积和理想体积比值氢气压缩因子：实际体积和理想体积比值 第第88页页89吸储材料储氢吸储材料储氢物理吸附材料（多孔材料物理吸附材料（多孔材料吸附、晶格吸储吸附、晶格吸储石墨、合金）石墨、合金）化学反应材料（金属，催化可逆吸氢）化学反应材料（金属，催化可逆吸氢）高压氢气与吸储材料复合式储氢高压氢气与吸储材料复合式储氢第第89页页90生物柴油生物柴油 第第90页页91生物柴油生物柴油生物柴油是指生物柴油是指生物油脂生物油脂（包含动物油、植物油、微生物油以及废（包含动物油、植物油、微生物油以及废弃油脂）与弃油脂）与甲醇或乙醇甲醇或乙醇经经酯交换反应酯交换反应而形成而形成脂肪酸烷基单酯脂肪酸烷基单酯，通常为脂，通常为脂肪酸甲酯（肪酸甲酯（Fatty Acid Methanol Ester，FAME）。）。原料：原料：（1）植物油脂：包含农作物与林业资源）植物油脂：包含农作物与林业资源（2）动物油脂：主要指昆虫油脂）动物油脂：主要指昆虫油脂（3）微生物油脂：细菌、真菌、藻类）微生物油脂：细菌、真菌、藻类（4）废弃油脂：地沟油、变质油脂等）废弃油脂：地沟油、变质油脂等第第91页页92甘油三酯甘油三酯 H OHCOCR1 OHCOCR2 OHCOCR3 H 第第92页页933 甘油三酯合成代谢甘油三酯合成代谢乙酰乙酰CoA HCO3-乙酰乙酰CoA 丙二酸单酰丙二酸单酰CoA CoA CoA 酯酰酯酰ACP CO2 脂肪酸脂肪酸L-磷酸甘油磷酸甘油 溶血磷脂酸溶血磷脂酸 磷脂酸磷脂酸 甘油二酯甘油二酯 甘油三酯甘油三酯 第第93页页94酯交换反应制备生物柴油酯交换反应制备生物柴油 H OHCOCR1 OHCOCR2 OHCOCR3 H O ROCR1 O ROCR2 O ROCR3R =-CH3、-CH2CH3 3 R-OH CH2-OHCH-OHCH2-OH 催化剂催化剂 第第94页页