酒精發(fā)酵工藝與能源危機(jī)

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1、酒 精 發(fā) 酵 工 藝 與能 源 危 機(jī)Alcohol fermentation and energy crisis 第一章概述第六章結(jié)論和展望第五章乙醇汽油的優(yōu)缺點(diǎn)第四章燃料乙醇的添加第三章酒精發(fā)酵的操作規(guī)程第二章酒精發(fā)酵的可行性與必要性 第 一 章 概 述發(fā) 酵 工 程 是 指 采 用 現(xiàn) 代 工 程 技 術(shù) 手 段 ， 利用 微 生 物 的 某 些 特 定 功 能 ， 為 人 類(lèi) 生 產(chǎn) 有 用 的產(chǎn) 品 ， 或 直 接 把 微 生 物 應(yīng) 用 于 工 業(yè) 生 產(chǎn) 過(guò) 程 的一 種 新 技 術(shù) 。酒 精 發(fā) 酵 是 在 無(wú) 氧 條 件 下 ， 微 生 物 （ 如 酵母 菌 ） 分 解 葡

2、 萄 糖 等 有 機(jī) 物 ， 產(chǎn) 生 酒 精 、 二 氧化 碳 等 不 徹 底 氧 化 產(chǎn) 物 ,同 時(shí) 釋 放 出 少 量 能 量的 過(guò) 程 。酒 精 發(fā) 酵 和 乳 酸 發(fā) 酵 是 兩 類(lèi) 極 具 代 表 性 的發(fā) 酵 過(guò) 程 。 進(jìn) 入 21世 紀(jì) 以 來(lái) ， 我 們 在 體 驗(yàn) 新 時(shí) 代 所 帶 來(lái) 的 便 利的 同 時(shí) ， 埋 藏 已 久 的 危 機(jī) 也 逐 漸 顯 現(xiàn) 。其 中 ， 能 源 危 機(jī) 的 影 響 已 經(jīng) 不 可 忽 視 了 。石 油 ， 作 為 一 次 性 、 不 可 再 生 、 應(yīng) 用 最 為 廣 泛 的 能源 ， 目 前 全 球 已 知 的 石 油 儲(chǔ) 量 ，

3、約 為 1萬(wàn) 億 桶 ， 夠 人 類(lèi)消 費(fèi) 36 40年 （ 按 目 前 的 石 油 消 費(fèi) 速 度 計(jì) 算 ） 。 除 了這 1萬(wàn) 億 桶 以 外 ， 有 待 發(fā) 現(xiàn) 的 石 油 大 約 也 有 1萬(wàn) 億 桶 。 這就 是 說(shuō) ， 地 下 總 共 還 有 2萬(wàn) 億 桶 石 油 可 供 開(kāi) 采 利 用 ， 可供 人 類(lèi) 消 費(fèi) 近 80年 。同 時(shí) ， 石 油 的 供 應(yīng) 大 致 上 由 一 些 擁 有 大 量 石 油 儲(chǔ) 藏的 國(guó) 家 所 控 制 ， 主 要 的 產(chǎn) 油 國(guó) 成 立 了 石 油 輸 出 國(guó) 組 織（ OPEC） ， OPEC控 制 了 全 球 石 油 出 口 的 大 部 分

4、產(chǎn) 量 ，對(duì) 世 界 油 價(jià) 具 有 強(qiáng) 大 的 杠 桿 作 用 。而 作 為 石 油 匱 乏 的 國(guó) 家 ， 如 中 國(guó) ， 轉(zhuǎn) 向 其 他 能 源 無(wú)非 是 應(yīng) 對(duì) 這 種 作 用 無(wú) 二 的 選 擇 。 第 二 章 酒 精 發(fā) 酵 的 可 行 性與 必 要 性HHCH OCHH H 酒 精 發(fā) 酵 的 反 應(yīng) 式2 CO2 + 2 NAD+由 于 生 物 發(fā) 酵 的 生 化 反 應(yīng) 機(jī) 理 明 了 ， 同 時(shí) 具 有高 產(chǎn) 、 穩(wěn) 產(chǎn) ， 操 作 簡(jiǎn) 單 ， 是 制 備 酒 精 的 完 美 選擇 。2 NADH + 2 H+ +2 H2 OC6 H1 2 O6 + 2 NAD+ + 2

5、pi 2 CH3 COCOOH +2 CH3 COCOOH + 2 NADH + 2 H+ 2 CH3 CH2 OH + 2 CH3 CH2 OH+2 CO2C6 H1 2 O6 CH2 O PCHOCHOHCOOHCHOHCH 2 O P2COOHHCOCH2 OH P2COOHCO PCH22COHCOOHCH22 OHH CH2 OHOHH HOH HOHO HCH2 OOHH HOH HOHOPHOH HOHHOHOCH2 H o OHHP HOHHOHOCH2H o CH2 OHP PCH2 O PC=OCH 2 OHO=CO PHCOHCH2 O P2COOHC=OCH 32 2

6、NAD+2 (NADH+H+COOHCH 3CHOH CHOCH3 CH2 OHCH3+2 H+ 舊 能 源 的 枯 竭新 能 源 的 艱 難 前 進(jìn) 乙 醇 汽 油目 前 ， 巴 西 是 世 界 上 最 用 乙 醇 汽 油 中 乙 醇 含 量已 達(dá) 到 20%。美 國(guó) 是 世 界 上 第 二 大 燃 料 乙 醇 的 消 費(fèi) 大 國(guó) 。 1978年 含 10 乙 醇 汽 油 （ E10汽 油 ） 在 內(nèi) 布 拉 斯 加 州 大 規(guī)模 使 用 ， 此 后 ， 美 國(guó) 聯(lián) 邦 政 府 對(duì) E10汽 油 實(shí) 行 減 免 稅 ，2000年 美 國(guó) 燃 料 乙 醇 產(chǎn) 量 達(dá) 到 500萬(wàn) 噸 。國(guó) 內(nèi)

7、 乙 醇 汽 油 產(chǎn) 量 占 世 界 第 三 位 ， 09年 國(guó) 家 發(fā)展 與 改 革 委 員 會(huì) 上 呈 全 國(guó) 兩 會(huì) 的 報(bào) 告 統(tǒng) 計(jì) ， 全 國(guó) 目前 已 有 每 年 混 配 一 千 萬(wàn) 噸 乙 醇 汽 油 的 能 力 ， 乙 醇 汽油 的 消 費(fèi) 量 已 占 全 國(guó) 汽 油 消 費(fèi) 量 的 20%。 十 一 五 規(guī) 劃 第 十 二 章 第 四 節(jié) 里 面 提 到加 快 開(kāi) 發(fā) 生 物質(zhì) 能 ， 支 持 發(fā)展 秸 稈 、 垃 圾焚 燒 和 垃 圾 填埋 氣 發(fā) 電 ， 建設(shè) 一 批 秸 稈 和林 木 質(zhì) 電 站 ，擴(kuò) 大 生 物 質(zhì) 固體 成 型 燃 料 、燃 料 乙 醇 和 生物

8、柴 油 生 產(chǎn) 能力 。 第 三 章 酒 精 發(fā) 酵 及 其操 作 規(guī) 程第 一 節(jié) 燃 料 乙 醇 發(fā) 酵 和 傳 統(tǒng) 乙 醇 發(fā) 酵 的 不 同第 二 節(jié) 燃 料 乙 醇 發(fā) 酵 的 操 作 規(guī) 程第 三 節(jié) 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 的 注 意 事 項(xiàng)第 四 節(jié) 發(fā) 酵 后 處 理 傳 統(tǒng) 乙 醇 發(fā) 酵 ： 酒 制 品 、 乳 酸 制 品 、 醋 制 品 等 。比 如 ： 釀 酒 ， 追 求 產(chǎn) 物 中 有 更 多 的 乙 酸 乙 酯 ， 這就 要 求 控 制 好 初 步 產(chǎn) 物 中 乙 醇 和 醋 酸燃 料 乙 醇 發(fā) 酵 ： 低 含 水 量 、 低 雜 質(zhì)水 分 含 量 是 車(chē) 用 乙

9、醇 汽 油 的 重 要 指 標(biāo) ，GB18350 2100 GB18351 2001兩 項(xiàng) 國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn) ， 已 于 01年 開(kāi) 始 實(shí) 施 ， 標(biāo) 準(zhǔn) 中 嚴(yán) 格規(guī) 定 變 性 燃 料 乙 醇 中 水 分 含 量 不 得 大 于 0.8 ， 車(chē) 用 乙醇 汽 油 中 只 允 許 加 入 10 0.5 的 變 性 燃 料 乙 醇 ， 水分 含 量 不 得 大 于 0.15 。 第 一 節(jié) 燃 料 乙 醇 發(fā) 酵 和 傳 統(tǒng) 乙醇 發(fā) 酵 的 不 同 第 二 節(jié) 燃 料 乙 醇 發(fā) 酵 的 操 作 規(guī)程原 材 料 的 準(zhǔn) 備提 取 發(fā) 酵 產(chǎn) 物 控 制 發(fā) 酵 過(guò) 程添 加 活 化 酵 母

10、一原料的預(yù)處理纖 維 素 ： 需 對(duì) 其 進(jìn) 行 水 解 ,使 其 轉(zhuǎn) 化 成 可 發(fā) 酵 性糖 。 水 解 是 將 其 降 解 成 可 發(fā) 酵 性 糖 ： 戊 糖 和 己 糖 。纖 維 素 水 解 只 有 在 催 化 劑 存 在 下 才 能 顯 著 地 進(jìn) 行 。 淀 粉 ： 可 直 接 發(fā) 酵 ， 也 可 先 用 酶 水解 ， 以 加 快 發(fā) 酵 進(jìn) 程 。 一 般 采 用 生 料 加工 ， 可 以 提 高 原 料 的 利 用 率 。 二 加 入 酵 母 活 化 液即 具 有 生 物 活 性 的 酵 母 液 ， 酵 母 的 活 性 直接 決 定 了 整 個(gè) 過(guò) 程 的 生 產(chǎn) 質(zhì) 量 和

11、性 能 。其 活 性 主 要 受 環(huán) 境 和 遺 傳 的 影 響 ， 所 以 ，應(yīng) 當(dāng) 控 制 好 反 應(yīng) 條 件 ， 并 選 取 品 種 優(yōu) 良 的 酵母 。同 時(shí) ， 添 加 一 些 必 要 的 營(yíng) 養(yǎng) 元 素 也 是 必 要的 ， 比 如 氨 基 酸 、 糖 類(lèi) 。 三 發(fā) 酵 過(guò) 程 的 控 制通 過(guò) 傳 統(tǒng) 的 酒 精 酵 母 ,使 反 應(yīng) 在 30 條 件 下 進(jìn) 行 即可 ， 同 時(shí) ， 比 如 反 應(yīng) 的 PH值 、 無(wú) 菌 操 作 、 原 料 的定 時(shí) 定 量 添 加 都 是 非 常 重 要 的 。半 纖 維 素 構(gòu) 成 了 農(nóng) 作 物 秸 稈 的 相 當(dāng) 部 分 ,其 水

12、解 產(chǎn)物 為 以 木 糖 為 主 的 五 碳 糖 , 故 五 碳 糖 的 發(fā) 酵 效 率 是定 過(guò) 程 經(jīng) 濟(jì) 性 的 重 要 因 素 。同 時(shí) ， 木 糖 的 存 在 對(duì) 纖 維 素 酶 水 解 抑 制 作 用 ,將 木糖 及 時(shí) 轉(zhuǎn) 化 為 乙 醇 對(duì) 農(nóng) 作 物 秸 稈 的 高 效 率 酒 精 發(fā)酵 是 非 常 重 要 的 。 目 前 人 們 研 究 最 多 且 最 有 工 業(yè)應(yīng) 用 前 景 的 木 糖 發(fā) 酵 產(chǎn) 乙 醇 的 微 生 物 有 3種 酵 母 菌種 即 管 囊 酵 母 (Pachysolen tannophilus) 、 樹(shù) 干 畢 赤 酵 母(Pichia stipits

13、) 和 體 哈 塔 假 絲 酵 母 (Candida shechatae)。 利 用 纖 維 素 類(lèi)物 質(zhì) 為 原 料 發(fā)酵 生 產(chǎn) 乙 醇 ,對(duì)微 生 物 的 要 求是 很 高 的 。 由于 自 然 界 中 缺乏 可 以 利 用 纖維 素 類(lèi) 物 質(zhì) 原料 有 效 發(fā) 酵 生產(chǎn) 乙 醇 的 微 生物 ,因 此 有 必 要對(duì) 不 同 微 生 物進(jìn) 行 代 謝 工 程改 造 ,以 便 構(gòu) 造出 更 有 效 的 微生 物 。 四 發(fā) 酵 產(chǎn) 物 的 提 取發(fā) 酵 產(chǎn) 物 乙 醇 如 果 在 微 生 物 體 內(nèi) 大 量 殘 留 ，一 方 面 會(huì) 反 饋 抑 制 發(fā) 酵 反 應(yīng) ， 另 一 方 面 對(duì)

14、 微 生物 本 身 也 有 毒 害 作 用 ， 所 以 要 及 時(shí) 的 將 乙 醇 從發(fā) 酵 液 中 分 離 出 來(lái) 。通 過(guò) 過(guò) 濾 作 用 將 發(fā) 酵 液 分 離 出 來(lái) ， 同 時(shí) 添加 新 的 發(fā) 酵 液 。 一 般 采 用 流 式 發(fā) 酵 罐 以 避免 繁 瑣 的 人 工 操 作 。 發(fā) 酵 過(guò) 程 中 的 注 意 事 項(xiàng)1. 原 材 料 的 選 取 。2.滅 菌 。3.定 時(shí) 檢 查 發(fā) 酵 酵 母 的 含 量 并 及 時(shí) 添 加 。4.注 意 監(jiān) 測(cè) CO2含 量 。5.及 時(shí) 從 混 合 液 中 分 離 乙 酸 。 第 四 節(jié) 發(fā) 酵 后 處 理主 要 是 提 純 和 去 雜

15、質(zhì)提 純 ： 普 遍 做 法 是 先 收 集 發(fā) 酵 殘 液（ 白 酒 ）蒸 餾 ， 提 取 攝 氏 80度 的 餾 分 ,可 得 到95%的 乙 醇 （ 工 業(yè) 酒 精 ）進(jìn) 一 步 提 高 純 度 ,用 的 是 生 石 灰 吸 水 ,一般 可 得 到 99%-99.5%的 含 量 （ 燃 料 乙 醇 ） 。去 雜 質(zhì) ： 化 學(xué) 反 應(yīng) 法 、 萃 取 精 餾 、 吸附 、 膜 分 離 、 離 子 交 換 樹(shù) 脂 法 等 。 第 四 章 燃 料 乙 醇 的 添 加混 合 比 ： 不 同 國(guó) 家有 不 同 的 標(biāo) 準(zhǔn) ， 但是 混 合 必 須 是 有 針對(duì) 性 的 ， 主 要 考 慮發(fā) 動(dòng)

16、機(jī) 的 耐 受 性 和成 本 的 控 制 。對(duì) 于 合 格 的 燃 料 乙 醇 ， 可 以 按 照 既 定 的 比 例 添 加 到 汽油 中 去 。攪 拌 ： 至 透 明 狀 ，混 合 液 不 分 層 即 可 。 第 五 章 乙 醇 汽 油 的 優(yōu) 缺 點(diǎn)作 為 新 型 的 石 油 替 代 產(chǎn) 品 ， 乙 醇 擁有 其 得 天 獨(dú) 厚 的 優(yōu) 勢(shì) ， 比 如 說(shuō) 原 料來(lái) 源 廣 泛 、 可 再 生 。 但 是 ， 其 局 限性 也 較 大 ， 主 要 是 傳 統(tǒng) 能 源 替 代 的漸 進(jìn) 性 以 及 傳 統(tǒng) 石 油 供 應(yīng) 商 的 壟 斷法 則 。 優(yōu) 點(diǎn)1， 辛 烷 值 高 ， 抗 爆 性

17、 好 。 通 常 車(chē) 用 汽 油 的 辛 烷 值 一 般 要 求 為 90或 93,乙 醇的 辛 烷 值 可 達(dá) 到 111。2， 含 氧 量 高 ， 易 于 汽 油 的 完 全 燃 燒 。 乙 醇 含 氧 量 高 達(dá) 34.7 。 在 汽 油 中含 10 的 乙 醇 ， 含 氧 量 就 能 達(dá) 到 3.5 。 3， 車(chē) 用 乙 醇 汽 油 的 使 用 可 有 效 的 降 低 汽 車(chē) 尾 氣 排 放 ， 改 善 能 源 結(jié) 構(gòu) 。國(guó) 內(nèi) 研 究 表 明 ， E15乙 醇 汽 油 比 純 的 車(chē) 用 無(wú) 鉛 汽 油 碳 烴 排 量 下 降 16.2 ， 一氧 化 碳 排 量 下 降 30 。 同

18、 時(shí) ， 乙 醇 中 不 含 有 S、 P、 N等 對(duì) 大 氣 能 造 成 污 染的 元 素 。4， 燃 料 乙 醇 的 生 產(chǎn) 資 源 豐 富 ， 技 術(shù) 成 熟 。 當(dāng) 在 汽 油 中 摻 兌 少 于 10 時(shí) ，對(duì) 在 用 汽 車(chē) 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 無(wú) 需 進(jìn) 行 大 的 改 動(dòng) ， 即 可 直 接 使 用 乙 醇 汽 油 。乙 醇 汽 油 在 加 油 站 的 統(tǒng) 一 標(biāo) 識(shí) 分 別 是 E90號(hào) 、 E93號(hào) 、 E97號(hào) ， E是 乙 醇（ Ethanol） 的 標(biāo) 號(hào) ,使 用 車(chē) 用 乙 醇 汽 油 的 車(chē) 輛 ， 可 以 加 入 同 標(biāo) 號(hào) 的 車(chē) 用 無(wú) 鉛 汽 油 。 缺 點(diǎn)1.

19、乙 醇 的 汽 化 潛 熱 大 ， 理 論 空 燃 比 下 的 蒸 發(fā) 溫 度 大 于 常 規(guī)汽 油 。 影 響 混 合 氣 的 形 成 及 燃 燒 速 度 ， 導(dǎo) 致 汽 車(chē) 動(dòng) 力 性 ，經(jīng) 濟(jì) 型 ， 及 冷 啟 動(dòng) 性 的 下 降 ， 不 利 于 汽 車(chē) 的 加 速 性 。2， 乙 醇 在 燃 燒 過(guò) 程 中 會(huì) 產(chǎn) 生 乙 酸 ， 對(duì) 汽 車(chē) 金 屬 特 別 是 銅有 腐 蝕 作 用 。 有 關(guān) 試 驗(yàn) 表 明 ， 在 汽 油 中 乙 醇 的 含 量 在 0 10 時(shí) ， 對(duì) 金 屬 基 本 沒(méi) 有 腐 蝕 ， 但 乙 醇 含 量 超 過(guò) 15 時(shí) ， 必須 添 加 有 效 的 腐

20、蝕 抑 止 劑 。 3， 乙 醇 時(shí) 一 種 優(yōu) 良 溶 劑 ， 易 對(duì) 汽 車(chē) 的 密 封 橡 膠 及 其 他 合成 非 金 屬 材 料 產(chǎn) 生 輕 微 的 腐 蝕 ， 溶 漲 ， 軟 化 或 龜 裂 作 用 。4， 乙 醇 易 吸 于 水 ， 車(chē) 用 乙 醇 汽 油 的 含 水 量 超 過(guò) 標(biāo) 準(zhǔn) 指 標(biāo)后 ， 容 易 發(fā) 生 液 相 分 離 。5.成 本 較 高 第 六 章 結(jié) 論 和 展 望 在 預(yù) 處 理 方 面 , 破 壞 纖 維 素晶 體 結(jié) 構(gòu) 以 及 法 與 化 學(xué)法 相 結(jié) 合 纖 維 素 和 半纖 維 素 更 易 被 在 化 學(xué) ,應(yīng) 著 重 研 究 解決 如 何 減 少 酸 ,以 及 酸 解產(chǎn) 物 毒 性 問(wèn) 題 在 生 物 法 法 和 微 生 物 直接 轉(zhuǎn) 化 法 中 和 反應(yīng) 動(dòng) 力 學(xué) 是