生工0901陈飞开题报告

1推动农产品转化带动农民增收实现农业可持续发展推广燃料乙醇的生产可以有效解决富余农产品转化问题稳定和提高农产品价格和农民收入形成一个长期稳定有效繁荣的农产品消费市场实现农业增产消费增收刺激再生产的可持续发展
毕业设计开题报告
课程名称：10万吨/年纤维乙醇发酵工段工艺设计
班级：生工0901班
学号：0909030107
在理论研究方面，“微生物降解木质纤维素的机理研究”取得了重要进展[8]；更多的纤维素预处理技术进入应用阶段，如有机溶剂预处理和应用多种酶进行酶解[9]；纤维素酶制剂实现了工业化生产；将嗜热细菌的木糖异构酶基因xylA克隆于酿酒酵母菌中，首次在酿酒酵母菌中得到细菌木糖异构酶的活性表达[10]。
以农作物纤维废弃物为原料的生物质转化技术取得了突破性的进展。河南农业大学承担的河南省杰出人才创新基金项目“秸秆燃料乙醇生产中关键技术研究”，通过生物方法使玉米秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素的降解率分别达到65.39％、45.11％和39.16％[11]。在同类研究中已达到国内领先水平，为纤维质原料低成本大规模生产燃料乙醇奠定了基础。由农业部规划设计研究院承担的“甜高粱茎秆制取乙醇技术”课题通过了863计划能源技术领域办公室的验收。该项目利用甜高粱茎秆固体发酵和茎秆汁液液体发酵工艺。固体发酵工艺特点是将甜高粱茎秆机械粉碎和揉搓，进行蒸料、引种和搅拌后人池发酵，蒸馏得60％～65％的乙醇[12]。由山东大学主持的酶解植物纤维工业废渣生产乙醇工艺技术项目，成功开发木糖-乙醇联产工艺，实现了生物质资源的综合利用，最终燃料乙醇产率达到12.54％[13]。山东大学主持的“乙醇生产酵母菌株木糖代谢工程及其发酵工艺的初步研究”项目使NAN-127工程菌的木糖利用率达到82.1％乙醇产量达到52.1g/L[14]。南京林业大学化学工程学院建立了玉米秸秆蒸汽爆破预处理、纤维素酶水解和戊糖己糖同步发酵技术制取乙醇的中间试验装置。其中纤维素的水解得率71.3％，还原糖利用率为87.17％，乙醇得率为43％[15]。
2．国内外纤维素乙醇的研究与应用现状
2.1国外纤维乙醇研究的现状与应用
纤维乙醇的生产包括酸水解和酶水解两种工艺。酸水解生产工艺最具代表性的是前苏联的连续渗滤水解流程、美国Vulcan化工公司与加拿大的Stake公司联合研制的Vulcan—Stake流程。连续渗滤水解流程是前苏联木材水解制造乙醇的主要工艺流程，该工艺流程首先将木材粉碎后由带式输送器填入水解器中，水解剩下的木质素通过排渣器排出器外。水解液从水解器流出后接连通过高压蒸发器和低压蒸发器，最后送往中和器。它的特点在于酸水解在高温条件下进行，由高压蒸发器和低压蒸发器产生的二次蒸汽又用于水解液的预热，提高了热能利用率[3]。在Vulcan—Stake流程中，纤维原料经加料器加到一个圆柱形的分解器中，由螺旋输送器推动原料沿着分解器前进。分解器用蒸汽加热到半纤维能够溶解于水，木质素能够溶解于碱，然后物料通过出料器定期排出。用水和碱冲洗物料，以去除半纤维素和木质素，供进一步利用。剩下的纤维素就很容易被酸分解为葡萄糖[3]。
为了降低纤维乙醇的生产成本，美国Novozymes公司和美国NREL合作开发的生物基乙醇燃料项目获重大进展，将生产1L燃料乙醇所需纤维素酶的成本从最初超过1.32美元的水平大幅减少至当前的低于13.2美分。Novozymes公司和NREL下一步将努力降低纤维素酶的生产成本，目标是在未来的两年中把生产1L燃料乙醇所需纤维素酶的成本降低至2.65美分[5]。另外，美国普度大学的何汪媛教授利用基因工程技术构建了可发酵戊碳糖的酵母菌株，为半纤维素的乙醇转化奠定了基础。
生物质能相关研究已成为能源、生态环境、经济诸领域的一个热点问题。能源问题是当今世界各国都面临的关系国家安全和经济社会可持续发展的中心议题，已经成为全球关注的焦点。因此，人们开始把目光转移到有利于社会可持续发展的可再生能源体系。专家认为，生物质资源转化体系是引领第三次世界能源革命的技术平台。在此背景下，燃料乙醇已经被视为替代和节约汽油的最佳燃料，其高效的转换技术和洁净利用日益受到全世界的重视，已经被广泛认为是21世纪发展循环经济的有效途径。
目前世界上主要的乙醇发酵工艺可根据其原料的不同分为：淀粉质乙醇发酵、糖类乙醇发酵、纤维质乙醇发酵、其他原料发酵四种，就燃料乙醇的生产原料而言，以玉米等粮食作物为主的乙醇生产会与人争粮，从长远看，包括木材废料、农作物秸秆在内的木质纤维素类物质是最具前景的燃料乙醇生产原料。
纤维素制乙醇技术在l9世纪已提出，并在美国和前苏联建有工厂。其方法是把原料中的纤维素水解为单糖，再把单糖发酵成为乙醇。该工艺的原料价格虽然便宜，但生产成本却很高，随着以石油为原料的合成乙醇大量生产，这类厂大都关闭，只有前苏联还有生产。我国黑龙江省伊春市的南岔木材水解厂是20世纪60年代引进前苏联设备建成的，80年代末又引进该国设备与技术进行改造，以木屑为原料，年产乙醇3000t，之后因缺乏原料等原因而停产[2]。
（3）符合农业发展循环经济的要求物质的循环流动和利用在燃料乙醇的整个生产过程中也处处得到体现。
总而言之生产燃料乙醇可缓解能源危机，有利于改善目前资源日益紧张，环境日趋恶劣的状况，具有重要的经济和社会意义。
4.纤维素乙醇的技术开发前景
据介绍，地球上每年光合作用的产物（简称为biomass生物质）高达1500亿～2000亿吨，是地球上惟一可超大规模再生的实物性资源，其能量相当于世界主要燃料消耗的10倍。然而目前，植物纤维作为能源的利用量还不到其总量的1％，从而植物纤维可以成为未来资源循环型社会的主要化工原料。据美国国家研究委员会的研究预测，到2020年，50%的有机化学品和材料将产自植物材料，而生物学工艺将起核心作用，化学工业将在生物技术革命中进行改组。壳牌公司则认为，世界能源供应和经济发展将使植物纤维的应用规模在2060年超过石油[17]。相信在未来随着世界纤维乙醇技术的不断研究与发展，生物质能源不但缓解人类所面临的资源危机，食物短缺，环境污染等一系列问题，也为人类持续发展提供了保证。
姓名：陈飞
指导教师：姚秀清
2013年3月15日
一、文献综述
1.课题的背景及其简介
在2000多年前，人类就开始酿造酒精（又称乙醇），但大部分都是致力于酒的酿造。酒精生产技术进一步发展始于20世纪50年代，50多年来，酒精工业在许多专家、学者和工程技术人员的努力下取得了众多科技成果，提高了酒精生产的技术水平，但总体发展势头平缓。近年来，在矿产和石油等能源日益枯竭和世界性能源危机的刺激下，燃料乙醇（乙醇含量99.5%以上（v/v））作为一种绿色可再生能源而拔地而起，使发酵酒精工业呈现出前所未有的快速发展历程，古老的发酵酒精工业在能源领域找到了自己的位置。
3．课题研究的意义和实际应用价值
3.1研究燃料（纤维乙醇）的应用价值：
生物质能是仅次于煤炭、石油和天然气的第四位能源资源，在能源系统中占有重要地位。利用燃料乙醇的优点是；1.减少矿物燃料的使用及CO2的排放；2.减少对进口石油的依赖，保障本国的能源安；3.稳定促进农业生产，增加城乡人民的收入；4.生物工程技术的进展，使乙醇价格更有竞争；5.符合动力装置及燃料发展趋势；6.乙醇是各国都可以持续发展的燃料[16]。
总而言之，燃料乙醇的发展与应用，特别是“纤维乙醇”的发展，植物纤维资源是地球上分布最广含量最大、品种最多、价格低廉且可再生时间短的有机资源之一，利用可再生的植物纤维资源生产燃料乙醇对于缓解能源危机具有重大意义。是当前减少石油消耗的最直接、最有效的方法，特别是可以综合性的解决世界的石油紧缺、粮食过剩、环境污染等情况，也可以为人类持续发展提供保证。
在20世纪石油危机后，西方国家开始重视生物质制燃料乙醇的技术。以美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory，简称NREL)为代表的研究者进行了大量的工作，使该技术取得了长足的进步，预期生产成本已降低一半以上。目前纤维乙醇生产在技术上已无问题，但在经济性方面仍需要解决许多制约因素，因此世界各国所建纤维乙醇生产线大多只能算作示范性工厂，要真正实现纤维乙醇产业化还需要很长的一段路要走。
近年来随着纤维乙醇技术的快速发展，欧美国家的一些大公司已决定建造较大规模的工厂。BC International公司计划投资9000万美元(其中能源部投资1100万美元)，将一个闲置的炼油厂改造成年产燃料乙醇7600万L的生产厂。该厂以甘蔗残渣为原料，采用稀硫酸水解，其核心技术是转基因的E.coli(由佛罗里达大学开发)，该菌株可发酵水解液中的全部单糖[6]。Masada Resource公司计划投资1.5亿美元，建造年产乙醇3600万L的工厂。它以城市固体废弃物为原料，采用浓酸水解工艺[7]。这只是其中部分公司纤维乙醇的产业化，还有大部分公司在不断进行此技术的研究，并且投入实践生产。
河南天冠企业集团、河南农业大学，山东大学和浙江大学联合于2006年初建成了国内最大的一条3000t/a纤维乙醇生产线。该生产线以玉米秸秆为原料，将秸秆粉碎至60目后，其中一部分玉米秸秆粉采用固体法，利用气体脉动装置生产纤维素酶；而另一部分则用来生产纤维乙醇。目前，这一生产线的固体纤维素酶FPA发酵水平达130IU/g，生产成本可控制在3500元/t；秸秆粉则采用质量分数2％硫酸在一定的温度下进行预处理，然后再进行酶解，纤维素酶解率达80％以上，为纤维乙醇在新世纪形成新的基础产业奠定了坚实的物质基础和技术保障。
3.2燃料乙醇（纤维乙醇）的意义是显而易见的：
（1）推动农产品转化，带动农民增收，实现农业可持续发展，推广燃料乙醇的生产，可以有效解决富余农产品转化问题，稳定和提高农产品价格和农民收入，形成一个长期、稳定、有效、繁荣的农产品消费市场，实现农业增产-消费-增收-刺激再生产的可持续发展。
（2在充分燃烧后，可以减少一氧化碳、二氧化碳、挥发性碳烃类化合物、臭氧等有害气体的排放，饯行低碳理念。
酶水解生产乙醇工艺分为分步水解发酵工艺和同步水解发酵两类。美国的Natick流程采用分步水解发酵工艺，纤维素水解和乙醇发酵分别在不同容器内单独进行。主要以城市纤维垃圾经辊式磨粉碎为原料，用辊式磨进行粉碎。酶水解间歇进行，24h完成。水解率达45％，水解液中葡萄糖达10％[4]。美国加州大学Berkeley分校流程采用的是纤维素水解与发酵同步进行，该工艺以粉碎的玉米芯为原料，再用稀酸水解，将半纤维素水解成木糖等产物。本流程的酸水解是连续进行的，反应器中的纤维原料的质量分数为5％，玉米芯水解率达40％，水解液中的质量分数为2.6％，然后采用多效蒸发器浓缩至糖质量分数为11％再进行发酵[4]。
尽管各公司在燃料乙醇生产领域取得了不小的进步，但目前燃料乙醇的生产还得依靠政府补贴。如果在无补贴的情况下和汽油竞争，其生产成本需降到每升约0.2美元左右，故用纤维原料发展燃料乙醇的路还很长，不过一般认为这个目标是能够实现的[2]。
2.2国内纤维素乙醇研究现状与应用
近年来，我国在纤维乙醇领域开展了深入的研究，取得了较大的进展，并且已经步入快速发展时期。我国燃料乙醇的生产基本上都是利用淀粉质和糖蜜等为原料，生产能力达132万t/a，成为世界上继巴西、美国之后第三大生物燃料乙醇生产国。随着我国经济的快速发展，开发以农作物秸秆为代表的各类木质纤维类生物质原料替代粮食资源的燃料乙醇技术，被专家们认为是未来解决燃料乙醇原料成本高、原料有限的根本出路[2]。
乙醇的用途可以分为燃料乙醇、工业乙醇和食用乙醇三大类，目前世界上乙醇的主要用途是用于燃料。乙醇是燃料乙醇中最主要的能源物质之一，它以玉米、薯类、小麦、糖蜜或植物等为原料，经发酵、蒸馏而制成，将乙醇进一步脱水再经过不同形式的变性处理后成为变性燃料乙醇。燃料乙醇也就是用粮食或植物生产的可加入汽油中的品质改善剂。它不是一般的乙醇，而是它的深加工产品。当前全世界正面临日益严重的石油能源危机。能源瓶颈一直制约着经济发展，由于石油等化石燃料日趋枯竭，乙醇已成为最具潜力的替代品，因此燃料乙醇的生产越来越受到人们的重视，已成为世界上许多国家研究的重要领域之一[1]。