Z生物質(zhì)能源燃料乙醇省公開(kāi)課金獎(jiǎng)全國(guó)賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

走進(jìn)生活生物化學(xué)

專(zhuān)題十二：生物質(zhì)能源燃料乙醇1/58乙醇

（ethanol,ethylalcohol）含有特殊香味和辣味密度為0.789g/cm3m.p.–117.3°C

b.p.78.5°C

能與水以任意比互溶HHHCCOHHH2/58乙醇分子中羥基HHHCCHHOH活潑氫取代2C2H5OH+2Na2C2H5ONa+H2

3/58乙醇分子中羥基HHHCCHHOH脫氫氧化HHHCCHOCH3CH2OH+CuOCH3CHO+Cu+H2O乙醛C2H5OH+O2CH3CHO+H2O12Cu4/58乙醇分子中羥基HHHCCHHOH羥基-OH與β-H消去HHHCCHCH3CH2OHCH2=CH2+H2O濃H2SO4170°C5/58HHHCCH

HOH乙醇分子中羥基HHHCCHHOH分子間脫水2CH3CH2OHC2H5—O—C2H5+H2O濃H2SO4140°C乙醚6/58乙醇分子中羥基HHHCCHHOH羥基-OH鹵代HBrCH3CH2OH+HBrCH3CH2Br+H2O7/58乙醇轉(zhuǎn)化關(guān)系CH3CH2OHCH2=CH2CH3CH2BrCH3CH2ONaC2H5OC2H5CH3CHO8/58乙醇工業(yè)合成乙烯水化法小麥玉米番薯麥芽糖葡萄糖酒精淀粉酶麥芽糖酶酒化酶糧食發(fā)酵法CH2=CH2+H2OCH3CH2OHcat.9/58乙醇用途是一個(gè)良好有機(jī)溶劑是一個(gè)主要化工原料是一個(gè)新型綠色能源可配制安全、高效醫(yī)用消毒劑是酒類(lèi)主要成份之一10/58歐盟輕型汽車(chē)排放限值標(biāo)準(zhǔn)到年輕型汽車(chē)排放限值必須符合以下標(biāo)準(zhǔn)(歐洲4號(hào))：(g／km)CO=1.0以下；

CH=0.1以下；

NOx=0.08以下。11/58新世紀(jì)朝陽(yáng)工業(yè)12/58燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程13/58生產(chǎn)乙醇燃料原料原料:陳糧農(nóng)、林業(yè)廢棄物，各種含纖維素垃圾能源植物Miscanthus（大禾草）Switchgrass（柳枝稷）甜高梁木薯

效益:中國(guó)能源戰(zhàn)略發(fā)展需要處理環(huán)境污染，變廢為寶增加農(nóng)民收入，處理“三農(nóng)”問(wèn)題14/58生產(chǎn)酒精原料原料種類(lèi)作物糖質(zhì)原料甘蔗，甜高梁澱粉質(zhì)原料小麥、玉米纖維質(zhì)原料稻稈、舊報(bào)紙?jiān)孱?lèi)綠藻、馬尾藻15/58ProductioncapabilityforEthanolisabout5.81milliontoninChina.Fig:mediumandlargeenterprisespatialdistribution

16/58ProvincesforEthanolproductionbyuseofSorghumbicolorinChina17/58Sorghumbicolor18/58Sorghumbicolor19/58酒精車(chē)使用概念植物行光合作用酒精工廠(chǎng)分解及發(fā)酵二氧化碳酒精車(chē)使用概念20/58(glucosepolymer)(xylose/arabinosepolymer)生物質(zhì)主要成份木質(zhì)素纖維素半纖維素21/58Feedstock原料Cellulose纖維素Hemi-cellulose半纖維素Lignin木質(zhì)素Other其它AgriculturalWaste農(nóng)業(yè)廢棄物38321713ForestryWaste林業(yè)廢棄物5023225MunicipalWaste含纖維素垃圾4591036EnergyCrop能源作物45301510生物質(zhì)主要成份(%)22/58CelluloseFiberHemicelluloseLigninPectinOtherpolysaccharides生物質(zhì)原料結(jié)構(gòu)纖維素呈結(jié)晶狀擰合成纖維束半纖維素和其它多聚糖纏繞著纖維束木質(zhì)素像膠水一樣覆蓋和凝合著各種物質(zhì)水解酶或其它化學(xué)物質(zhì)極難滲透到纖維素表面纖維束半纖維素木質(zhì)素果膠質(zhì)其它多聚糖

23/58秸桿或其它原料組分分離預(yù)處理酶制劑生物降解乙醇分離Costly高消耗過(guò)程ThePathfromCellulosetoEthanol從秸桿到乙醇燃料24/58CrystallineRegionAmorphousRegionCelluloseLigninHemicellulosePretreatment預(yù)處理作用預(yù)處理纖維素木質(zhì)素?zé)o定形區(qū)結(jié)晶區(qū)半纖維素25/58$/galEtOH稀酸熱水氣爆氣滲石灰預(yù)處理效果和費(fèi)用處理效果依方法而異耗能(熱水、氣爆)，環(huán)境污染(稀酸)，周期長(zhǎng)(石灰)成本高26/58β-glucoside內(nèi)切葡聚糖酶外切葡聚糖酶纖維二糖水解酶纖維二糖酶纖維素葡聚糖纖維二糖葡萄糖纖維素水解纖維素水解由纖維素酶系完成

纖維素酶系含最少三種酶，內(nèi)切葡聚糖酶，纖維二糖水解酶和纖維二糖酶此法成本很高，纖維素酶占總成本36-45%效率常低產(chǎn)物反饋抑制受預(yù)處理影響27/58燃料乙醇生產(chǎn)新構(gòu)想基因工程酵母木質(zhì)素水解酶酵母半纖維素酶酵母纖維素酶酵母酒精發(fā)酵酵母燃料乙醇植物原料原料粉半纖維素纖維素有機(jī)酸纖維素單糖有機(jī)酸乙醇混合物單糖有機(jī)酸28/58基因工程酵母技術(shù)可行性酵母適合用于生產(chǎn)重組酶并分泌于細(xì)胞外酵母已經(jīng)用于乙醇生產(chǎn)，轉(zhuǎn)化淀粉和葡萄糖為乙醇能轉(zhuǎn)化五碳糖基因工程酵母已獲成功(NancyHoatPurdue)，并用于生產(chǎn)(Iogen,Canada)纖維素酶在酵母里表示已經(jīng)有先例(Kondoetal.)29/58基因工程酵母技術(shù)優(yōu)勢(shì)低成本無(wú)須高消耗預(yù)處理無(wú)須價(jià)格昂貴纖維素酶高效率水解徹底五、六炭糖全部利用無(wú)環(huán)境污染建廠(chǎng)投資和技術(shù)要求低，適合離秸桿源近農(nóng)村建廠(chǎng)，處理‘三農(nóng)’問(wèn)題30/58木質(zhì)素水解酶酵母CHOOCH3OHHCHOOCH3OHHCHOOCH3OHH木質(zhì)素過(guò)氧化物酶Ligninperioxidase錳過(guò)氧化物酶Manganeseperoxidase乙二醛氧化酶Glyoxaloxidase漆酶LaccaseCelluloseLigninHemi-cellulose纖維素木質(zhì)素半纖維素Cellulose纖維素Hemicellulose半纖維素31/58半纖維素酶酵母CHOOCH3OHHCHOOCH3OHHCHOOCH3OHH內(nèi)切木聚糖酶endoxylanase乙酰木聚糖酯酶Acetylxylanesterase木糖苷酶Xylosidase阿拉伯呋喃糖苷酶

ArabinofuranosidaseCelluloseHemi-cellulose纖維素半纖維素Cellulose纖維素32/58纖維素酶酵母CHOOCH3OHHCHOOCH3OHHCHOOCH3OHH外切葡聚糖酶Exoglucosidase內(nèi)切葡聚糖酶Endoglucsidase纖維二糖水解酶Cellobiohydrolase纖維二糖酶CellobiaseCellulose纖維素CHOOCH3OHHCHOOCH3OHH33/58五碳糖代謝酵母木糖還原酶XyloseReductase木糖醇脫氫酶XylitolDehydrogenase木酮糖激酶XylulokinaseCHOOCH3OHHCHOOCH3OHHH-C-C-OHH|H||H|H34/58基因工程酵母成功要素基因源從腐生微生物，白蟻、消化道微生物基因或菌株組合酶組成酶百分比重組基因優(yōu)化起動(dòng)子到達(dá)最正確表示調(diào)控產(chǎn)物到位酶性能優(yōu)化35/58乙醇燃料電池日本東芝企業(yè)研制出甲醇燃料電池，可使筆記本電腦連續(xù)工作5小時(shí)。美國(guó)研制出乙醇燃料電池，效率高出其32倍。36/58我國(guó)從開(kāi)始推廣“車(chē)用乙醇汽油”。37/58酒精發(fā)酵罐38/581、罐型酒精發(fā)酵罐筒體為圓柱形，低蓋和頂蓋均為碟形或錐形。在酒精發(fā)酵過(guò)程中，為了回收二氧化碳?xì)怏w及其所帶出部分酒精，發(fā)酵罐采取密閉式頂有些人孔，視鏡及二氧化碳回收管。進(jìn)料管接種管壓力表和測(cè)量?jī)x表接口管等。罐底裝有排料口和排污口罐身上下裝有取樣口和溫度計(jì)接中口對(duì)于型發(fā)酵罐。為了便于維修和清洗，在近罐底裝有些人孔。

39/582.發(fā)酵冷卻裝置

中小型發(fā)酵罐，多采取罐頂噴水淋于罐外表面進(jìn)行膜狀冷卻；對(duì)于大型發(fā)酵罐，罐內(nèi)裝有冷卻蛇管或罐外壁噴灑聯(lián)合冷卻。

40/583.洗滌裝置

：水力噴射洗滌裝置。

41/58

二.酒精發(fā)酵罐計(jì)算

（一）發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)尺寸

發(fā)酵罐全體積：

式中V—發(fā)酵罐代表容積

V0—進(jìn)入發(fā)酵罐發(fā)酵液量

—裝液系數(shù)，普通取=0.85~0.90

帶有錐形底、蓋圓柱形

發(fā)酵罐全容積為：

42/58酒精發(fā)酵罐其罐體高度、底、蓋高度和罐徑尺寸關(guān)系可推薦以下：

H=1.1-1.5Dh1=0.1-0.14Dh1=0.05-0.1D依據(jù)發(fā)酵全容積V和徑高比等，即可確定發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)尺寸。43/58

(二）發(fā)酵罐罐數(shù)確實(shí)定

對(duì)于間歇發(fā)酵，發(fā)酵罐罐數(shù)可按下式計(jì)算：

N—發(fā)酵罐個(gè)數(shù)（其中一個(gè)作備用）（個(gè)）n—每24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行加料發(fā)酵罐數(shù)目（個(gè)）t—一次發(fā)酵罐周期所需要時(shí)間（小時(shí))44/58

（三）發(fā)酵罐冷卻面積計(jì)算

式中Q—總發(fā)酵熱（J/h）

K—傳熱總系數(shù)J/（m2·h·℃）△tm—對(duì)數(shù)平均溫度差,℃F—冷卻面積（m2）

發(fā)酵罐冷卻面積計(jì)算可按傳熱基本方程式來(lái)確定，即：

45/58

(1)

操作開(kāi)始：糖液及酵母同時(shí)加入1-3罐至滿(mǎn)，停頓加酵母，繼續(xù)加糖液，開(kāi)底部閥使發(fā)酵液流入4號(hào)，4號(hào)流入5號(hào)，至9號(hào)結(jié)束，周期32小時(shí)，10、11號(hào)為貯存計(jì)量罐，輪用。(2)操作結(jié)束：換罐（換種），停頓流加糖液，關(guān)1號(hào)二氧化碳閥，泵轉(zhuǎn)入2號(hào)，1號(hào)消毒并加新種新料重新開(kāi)始，1號(hào)滿(mǎn)時(shí)，2號(hào)經(jīng)泵排盡并消毒好，1號(hào)流入2號(hào)，如止下去，20天換種一次。(3)

1-3號(hào)罐為流加罐，一直處于主發(fā)酵狀態(tài)，在這一階段中酵母處增殖階段，并同時(shí)伴隨發(fā)酵醪中淀粉和糊精繼續(xù)被糖化而后幾個(gè)罐則起后發(fā)酵作用。10、11號(hào)為計(jì)量罐。

1、淀粉質(zhì)原料發(fā)酵酒精流程46/582、糖蜜發(fā)酵酒精流程

47/5848/5849/5850/5851/58無(wú)水酒精製法共沸蒸餾(Azeotropic)萃取蒸餾(Extractive)分子篩吸附(Molecularsieves)滲透汽化膜分離(Pervaporation)