乙醇含量計算方法的改良

乙醇含量計算方法的改良第一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六Contents生物乙醇及其分類

纖維素乙醇的傳統(tǒng)計算纖維素乙醇改良算法

纖維素乙醇的前景

4123目錄第二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六纖維素乙醇

什么是纖維素生物質？纖維素生物質是由纖維素（30-50%），半纖維素（20-40%），和木質素（15-30%）組成的復雜材料。纖維質生物質中的糖以纖維素和半纖維素的形式存在。纖維素中的六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一樣，可以用傳統(tǒng)的酵母發(fā)酵成乙醇。而半纖維素中含有的糖主要為五碳糖，傳統(tǒng)的酵母無法經(jīng)濟地將其轉化為乙醇每一種植物的確切成分都不盡相同。纖維素存在于幾乎所有的植物生命體中，是地球上最豐富的分子。第三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六生物乙醇定義及其分類生物乙醇是以生物質為原料，通過微生物發(fā)酵而生產(chǎn)的一種可再生能源。生物乙醇的分類第一代生物乙醇：利用糧食，比如，在美國是用玉米，在巴西是用甘蔗等等生產(chǎn)乙醇等生物能源。第二代生物乙醇：利用非糧食生物質生產(chǎn)乙醇（cellulosicethanol）。來源是秸稈、稻殼、樹木枝葉、甘蔗渣等等第三代生物乙醇：利用藻類（如海藻活淡水藻類），通過對藻類進行養(yǎng)殖，等長成之后進行收獲曬干，然后通過酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。第四代生物乙醇：是一個創(chuàng)新，它是通過對藻類進行改造而生產(chǎn)乙醇。例如對藍藻進行改造，使其通過光合作用吸收二氧化碳直接生產(chǎn)乙醇、副產(chǎn)物以及氧氣。第四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六傳統(tǒng)纖維素乙醇算法傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中計算乙醇含量是基于液體體積在生產(chǎn)前后不變的條件下，具體算法如下公式：

其中[ETOH]o和[ETOH]f分別表示反應前后液體中乙醇濃度（g/L），0.511和1.111分別表示葡萄糖轉化為乙醇的轉化率和纖維素轉化為葡萄糖的轉化率。第五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六傳統(tǒng)算法的局限性然而，在密閉的同步糖化和發(fā)酵體系中，通過冷淋器的作用，大量的氣態(tài)液體回流，以及隨著液態(tài)乙醇的生成而增加以及纖維素原料的水解過程水的消耗而降低，這致使總的液體體積始終在改變。實際的生產(chǎn)過程中由于高效價乙醇生成的質量大約是纖維素降解過程中水消耗質量的5倍，從而導致液體體積的巨大改變，傳統(tǒng)算法使[ETOH]f比實際要小，進而算的乙醇體積比實際的含量要低的多。第六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六改良算法改善方法的基本思路和出發(fā)點就是把乙醇的濃度從g/L轉變成g/g，繼而從乙醇和水質量的平衡來建立精確地計算方法。根據(jù)Lange的化學手冊，在15.6℃條件下，基于g/L轉化為基于g/g的轉換公式為：[C2]=1.0236×10-3×[C1]=其中[C1]、[C2]分別表示基于體積和質量的濃度。水的消耗與乙醇的生成的質量關系如下：(C6H10O6)n+nH2O-nC6H12O6-2nC2H5OH-2nCO2第七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六剩余水的質量由公式可知nmol水生成2nmol的乙醇?，F(xiàn)在假設有E（g）的生成，過程中加入W（g）水，消耗W1（g）水則W1（g）=那么過程中剩下的水質量為W-（g）由于CO2尾氣收集發(fā)現(xiàn)幾乎不隨時間變化，故CO2的釋放忽略不計。第八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六改良計算發(fā)放推導[C20]=其中[C10]（g/L）和[C20]（g/g）分別表示基于體積和質量起始乙醇的濃度。E0表示同步糖化和發(fā)酵體系中乙醇的起始質量，則E0=[C20]×W=最終的水和生成的乙醇質量之和為E+E0+W-（g），此時乙醇基于質量的濃度為[C2]=從而推導出改進的公式E=第九頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六Practicalethanolyield（%）進而最終Practicalethanolyield（%）=此公式只做了一個假設：存在于發(fā)酵液中的殘?zhí)恰⒁种苿┮约捌渌恍}類對于混合后水和乙醇體積的縮減影響不大。在實際同步糖化和發(fā)酵過程中，發(fā)酵液中這些物質的濃度很低，如1L發(fā)酵液只含10g殘?zhí)?、幾乎沒有抑制劑存在，所以這樣的假設是合理的。第十頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六如果起始的乙醇含量忽略不計，那么上式可以簡化成：Practicalethanolyield（%）=

實驗的結果意味著基于乙醇質量守恒的算法是有根據(jù)的和有效的。發(fā)酵過程中乙醇會存在于固態(tài)基質以及液態(tài)的水中，但在基于乙醇質量守恒計算過程中對于乙醇存在于兩相不作考慮。因此，主要存在于液相的乙醇可以用來近似代替同步發(fā)酵和糖化過程中總的乙醇含量。

在發(fā)酵過程中固相有大約90%的木質素（不吸水）和10%的纖維素、半纖維素（吸水）。但是通過對木質素的深度處理能使活性基團鈍化從而不再吸附乙醇，進而計算結果更加精確。

對于裝載不同固體基質的同步糖化和發(fā)酵研究發(fā)現(xiàn)：隨著固體內含物和酶量的增加，傳統(tǒng)計量誤差會增加，相應的改進方法愈加精確。只考慮到用于乙醇發(fā)酵的大多數(shù)菌株都只會將葡萄糖代謝轉化為乙醇，所以以上的研究只關注纖維素代謝成乙醇的轉化率。但是，當木糖代謝菌株用于乙醇發(fā)酵時，我們需要建立一個更廣泛和通用的公式來精確計算。第十一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六纖維素乙醇的前景隨著石油資源的逐漸枯竭和環(huán)境的日益惡化，大力推廣使用可再生能源技術已成為許多國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，以減少對化石能源的依賴和溫室氣體的排放。被纖維素乙醇技術，是一種高端的清潔能源技術，因為它可以被用來替代傳統(tǒng)的糧食乙醇技術，利用地球上廣泛存在的纖維素質生物原料生產(chǎn)清潔的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。用秸稈等農作物廢棄物制備生物乙醇以取代化石能源的使用，一方面可以減少二氧化碳的排放，另一方面可以減少石油等化石能源的消耗。而在原料的采用上相對于使用玉米等糧食為原料的一代生物質能，使用秸稈等原料更勝一籌。這些都使得生物乙醇將擁有一個閃耀的未來。第十二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六第十三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六第十四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六第十五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六第十六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期六第十