燃料乙醇的制备..

乙醇酵母的培养
麦芽汁 麦芽汁 麦芽汁 糖化醪 琼脂 →↓ ↓ ↓ ↓ 酵母→斜面试管→液体试管→三角瓶培养→ 卡氏罐培养→小酒母罐培养→大酒母罐培 养→发酵罐 ↖ ↗ 糖化醪
乙醇酵母的培养（酒母1：10扩大培养）
• （1）原菌种斜面培养：麦芽汁琼脂，25~30℃培养3~5天（冰箱4℃保存备 用）。 （2）液体试管：10°Bx麦芽汁，灭菌冷却至25~30℃，无菌接种置25~30℃ 培养20h。 （3）三角瓶培养：1/3麦芽汁和2/3糖化醪， 25~30℃培养12~14h，pH4~6 （4）卡式罐培养：糖化醪，25~30℃培养12~14h，pH4~6 （5）小酒母罐、大酒母罐培养：糖化醪，25~30℃培养12~14h，pH4~6
• 二、是以木质纤维素质为原料生产乙醇。乙醇技 术首先要进行预处理，即脱去木质素，增加原料 的疏松性以增加各种酶与纤维素的接触，提高酶 效率。待原料分解为可发酵糖类后，再进入发酵、 蒸馏和脱水。
生产工艺
• 发酵法采用各种含糖（双糖）、淀粉（多糖）、 纤维素（多缩己糖）的农产品，农林业副产物及 野生植物为原料，经过水解（即糖化）、发酵使 双糖、多糖转化为单糖并进一步转化为乙醇。淀 粉质在微生物作用下，水解为葡萄糖，再进一步 发酵生成乙醇
木质纤维素的酶水解
• 可采用三种酶协同作用水解纤维素：内切β-1，4-葡聚糖酶作用纤维素链的内部； 纤 维二糖水解酶降解聚合物的末端；β-葡萄糖 苷酶作用于释放的纤维二糖， 将其裂解为 两分子葡萄糖
增强纤维素酶的生产能力
• 纤维素酶和半纤维素酶的主要工业来源是 嗜温软腐菌 T.richoderma reesei(有性世代 Hypocreajecorina)，通过随机诱变得到的具有高蛋白 分泌能力的突变株。 进一步提高这些菌株 需要精密的代谢工程，来考虑工艺条件中 的基因表达。 同时研究也着力于采用便宜 的碳源(如纤维质)进行酶生产。
• 未来多久能突破瓶颈就进入广泛应 用？
10 、20年？
乙醇发酵
• （3）后发酵期：醪液中的糖分已大部分被发酵， 但醪液中残存的糊精等多糖成分继续被转化为可 发酵性糖，酵母把它转化为乙醇。后糖化作用速 度比糖发酵速度要慢得多，乙醇和CO2生产量减 少，表观看来气泡不断产生，但醪液不再翻动。 后发酵期一般需40小时左右才能完成，保持醪液 温度在30℃±1℃ 。
木质纤维素的乙醇发酵
• 木质纤维素水解产物的乙醇发酵需要有机 酵素中含有葡萄糖、甘露糖、半乳糖和戊 糖，木糖和树胶醛糖，以及抑制剂弱碱、 糖醛和酚类化合物。 • 酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)一直 是人类历史上用于生物发酵乙醇的菌株， 该菌可以耐受木质纤维素衍生物代谢的抑 制剂。 但 S.cere-visiae 菌缺乏利用戊糖、 木糖和阿拉伯糖的能力。
木薯生淀粉批量发酵酒精：木薯
• 原产于美洲热带，全世界热带地区广为栽 培。其块根可食，可磨木薯粉、做面包、 提供木薯淀粉和浆洗用淀粉乃至酒精饮料。 木薯可能为墨西哥犹加敦的玛雅人首先栽 培。大多数品种含有能产生氰化物的糖类 衍生物，原始民族会用摩擦、压榨及加热 等复杂的工序去毒。木薯极易发生变异， 所以本身可能就是一个杂交种。
• 可作为新的燃料替代品 • 辛烷值高抗爆性能就好 • 乙醇可以按较甲基叔丁基醚（MTBE） (可生物降解性差、能迅速迁移至饮用水中危害人体健康的问题)更 少的添加量加入汽油中 • 可再生能源
我国现状
• 我国燃料乙醇的主要原料是陈化粮和以木薯、甜 高粱等淀粉质或糖质非粮作物，今后研发的重点 主要集中在以木质纤维素为原料的第二代燃料乙 醇技术 。
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乙醇发酵
——菌种：乙醇酵母； pH:4.2~4.5; 培养基：薯干糖化醪→发酵醪；
（1）前发酵期：醪液中酵母密度小，酵母进行适应，发酵 作用不强。实际生产时，酒母量在10％左右，前发酵期时 间为6~8h，连续发酵时，前发酵期基本不存在。
（2）主发酵期：酵母不再大量繁殖，而主要进行乙醇发酵， 发酵作用强烈，糖分消耗迅速，乙醇逐渐增加。主发酵温 度控制在30~34℃ 不得高于34~35℃，发酵时间一般为 12~15小时。
• 目前 ，国家发改委已核准了广西的木薯燃料乙醇、 内蒙的甜高粱燃料乙醇和山东的木糖渣燃料乙醇 等非粮试点等项目 • 以农林废弃物等木质纤维素原料制取乙醇燃料技 术也己进入年产万吨级规模的中试阶段。
生产技术
• 一、第一代燃料乙醇技术是以糖质和淀粉质作物 为原料生产乙醇。其工艺流程一般分为五个阶段， 即液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水。
燃料乙醇的发酵
燃料乙醇
• 是一种被广泛用于运输业的生物燃料。燃料乙醇 由富含糖类物质的农作物酿制产生，可加入汽油 中制成混合燃料。
• 燃料乙醇主要供汽车、摩托车等交通工具使用， 汽油发动机无需做过多改动就可以直接使用燃料 乙醇。当汽油价格较高时，燃料乙醇具有明显的 成本优势。然而，大规模使用燃料乙醇会导致玉 米、甘蔗等农作物供不应求、价格上升。
• 乙醇脱水制得燃料乙醇：化学反应脱水法、恒沸 精馏、萃取精馏、吸附、膜分离、真空蒸馏法、 离子交换树脂法等。
木薯生淀粉批量发酵酒精：木薯
• 木薯——木薯是世界三大薯类之一，广泛栽培于 热带和亚热带地区。在我国南亚热带地区，木薯 是仅次于水稻、甘薯、甘蔗和玉米的第五大作物。
• 它在作物布局，饲料生产，工业应用等方面具有 重要作用，已成为广泛种植的主要的加工淀粉和 饲料作物。 • 是热带湿地低收入农户的主要食用作物。
分离纯化工艺流程图
发酵罐→泵→醪塔→浓缩塔→粗酒精→分子
筛塔A、B→冷凝 ↖ ↗ ↑ 蒸汽 蒸汽
↓ 无水乙醇
木质纤维素乙醇的新进展
• 生物质原料具有很多优点，但由于其韧性 会导致工艺过程复杂并且成本昂贵。通过 构造新纤维素水解酶体系、 改造戊糖发酵 工业中耐受抑制剂的酵母菌株以及结合最 优一体化过程，显著改善了发酵工艺过程。
前景
• 最近几年，由于石油价格的波动，燃料乙醇的消 费增长也在提速。随着国内石油需求的进一步提 高，以乙醇等替代能源为代表的能源供应多元化 战略已成为中国能源政策的一个方向。
• 《关于促进玉米深加工业健康发展的指导意见》 • 燃料乙醇拥有清洁、可再生等特点，可以降低汽 车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的排放
木薯生淀粉批量发酵酒精:薯干预处理
薯干预处理示意图 原料薯干→筛选→浮选→磁选→破碎→制浆→液化 （糊化） ↓ ↓ ↘ ↓ 纤维、泥沙 石块、砖块 铁杂 糖化←冷却 ↑ 糖化酶 淀粉的液化：是利用淀粉液化酶使糊化的淀粉黏度 降低，并水解成糊精和低聚糖的过程。
糖化
源自文库
• 淀粉的糖化：是利用糖化酶将淀粉液化的产物进 一步水解成葡萄糖的的过程，并为发酵提供含糖 适量并保持一定酶活力的无菌或极少杂菌的醪液。
木薯生淀粉批量发酵酒精：木薯
木薯生淀粉批量发酵酒精：木薯
木薯生淀粉批量发酵酒精：生产工艺
a-淀粉酶 糖化酶 ↓ ↓ 薯干→粉碎机→调浆罐→连续蒸煮器→蒸煮醪→糖化锅 废槽 ↖ ↓ 酒精←分子筛脱水 ← 蒸馏←成熟发酵醪←发酵醪←糖化醪 杂醇油 ↙ ↙ ↓ ↙ ↓ 酵母种→斜面试管→摇瓶培养→小酒母罐→大酒母罐 ↑ ↗ ↓ 空气→空压机→过滤器→无菌空气 酒母醪
• 预处理—破坏木质纤维素的结构； • 酶水解—通过纤维素酶将纤维素降解为葡 萄糖； • 发酵—将葡萄糖代谢为乙醇， 通常使用酵 母菌株；
• 蒸馏-精馏-去水—分离纯化乙醇以满足需求。
木质纤维素的预处理
• 将纤维素、半纤维素和木质素分离，打破 纤维素的晶体结构，使纤维素酶渗透进纤 维素内部，从而有效降解纤维素 • 蒸汽爆破、液相热水预处理(LHW)、氨纤维 爆破(AFEX)、酸预处理、石灰预处理、有 机溶胶 • 蒸汽爆破和烯酸预处理已经应用于中试规 模
• 在 S.cerevisiae 菌中导入木糖异构酶途径 可以获得高乙醇产量， 同样也可导入阿拉 伯糖异构酶途径。 • 戊糖的氧化还原代谢一直是众多工程途径 中的热点。
• 在将来， 随着实验室和中试规模研究的不 断提高， 人们会最大程度的利用木质纤维 素原料中的每个成分，将其转化成不同的 成品，实现原料的充分利用并使产品价值 达到最大化， 达到商业化生产要求。