[课件]能源微生物学的PPT

重馏分 减压渣油
延 迟 焦 化
石油焦
图2.1 石油炼制工艺
2.1.2 生物炼制——新型经济产业的缔造者
生物炼制以现代石化工业为模板，采用类似于流化催 化裂化、热裂解和加氢裂解等集成化平台技术，用先进的 预处理和酶水解等生物平台技术将生物质转化为各种糖类，
再通过糖平台技术转化为大宗生物乙醇产品和各种高附加
相对的，在缺少空间堆积垃圾和有机质并且没有足够多的
农业产品的日本和一些欧洲国家，生物炼制起着废弃物处 理和有用产品的生产的双重作用，旧报纸、林业废弃物、 动物粪便和食品废弃物为生物炼制提供了原始的材料。
—— 微藻是一类在显微镜下能辨认其形态的微小藻类类群， 目前已经可以进行大规模培养。许多微藻中富含蛋白质、 多糖、油脂、类胡萝卜素和不饱和脂肪酸等多种有用成分， 是人类重要的生物质资源宝库。微藻的生物炼制如图2.3所 示。
水解 酸解、酶解
糖和木质素 合成气
糖类 木质素
气化 高温、低氧
生物质 （纤维素、 淀粉、 蛋白质、 动物粪便 等）
生 物 质 转 化
消化
细菌
生物气
蛋白质
脂肪
其他物质
高温分解 生物油 催化、加热、 加压 萃取 机械、化学 分离 碳素链
图2.2 生物炼制工艺
机械、化学
种植肥料
—— 生物炼制可以被分为生物质生产地区类型和废弃材 料使用类型两种。在巴西、美国、中国、东南亚和澳大利 亚这些国家和地区大量种植甘蔗、玉米、甜菜、木薯、西 米椰子和土豆等用于生物炼制，用农业产品发展新工业。
化学品和聚合物
图2.4 木质纤维素的生物炼制示意图
2.2 生物炼制基本内涵
生物炼制的过程就是对原料的生物转化和化学品合成 的过程，其中主要包括生物工程、化学工程、分离工程及
过程控制工程等。生物炼制针对生物质原材料、工业媒介
及最终产品三部分联合了所必需的技术。
2.2.1 生物工程
生物炼制是以生物转化为主要的生产过程，它是以生物 质（主要为纤维素、淀粉等）为原料，经过微生物的生物体实 现物质的代谢转化得到人类所需要的化学品。具备高转化率和 高耐受性的菌种是该过程的主要影响因素，引进和培育高效转 化生物是今后工作的重点之一。
芳 烃 抽 提 裂化气 催 化 重 整
芳 烃 分 离
苯 甲苯 二甲苯 炼厂干气 丙稀 丙烷 丁烯 丁烷 裂化汽油 裂化柴油 直馏柴油 直馏煤油 直馏轻柴油 焦化汽油 焦化柴油
煤油馏分 轻柴油馏分 重柴油馏分
常压 渣油 减 压 蒸 馏
减 压 馏 分
焦 化 气
吸 收
气 体 分 离 石 油 产 品 精 制
木质纤维素给料（LCF） 谷物（稻草、糠），木质纤维素生物质（芦苇、芦苇草）， 林业生物质（灌木、木材），造纸和纤维素业固体残渣 木质纤维素（LC） 木质素 (酚类聚合体) 天然黏合剂 低沥青木炭 固体燃料 （富含硫） 糠醛 尼龙 化工产品 呋喃树脂 木糖 铁石棉 （糖的替代品） 半纤维素 (戊糖，己糖) 植物胶 （增稠剂、黏合 剂、防护剂、乳 化剂、稳定剂） 5-羟甲基糠醛 乙酰丙酸 润滑剂 软化剂、溶剂 纤维素 (葡聚糖) 纤维素 葡萄糖 发酵产品 （燃料：乙醇 有机酸：乳酸 溶剂：丙酮、 丁醇等）
过程控制工程是对整个生物炼制工艺的控制要求，它涉 及各个环节中的设备控制参数及环节间结合匹配的控制要求。 过程控制是实现产业化必须解决的难点之一，在保证各个环节 实现最大转化率的同时，稳定而又高效的整体控制是进行产业 化的前提和关键。
Hale Waihona Puke Baidu
2.3 生物炼制发展现状 2.3.1 生物能源
世界各国很早就已经认识到化石资源带来的未来能源问 题，美国2002年制定了“生物质技术路线图”，并计划 2020年使生物质能源和生物基产品较2000年增加10倍， 达到全国能源总消费量的25%（2050年达到50%）。
值中间体化学品，生产出燃料乙醇、生物柴油等新型能源、 聚乳酸等新型生物材料和糠醛等几乎所有的生物基化学品 类型（图2.2）。
生 农业 初级炼制
物
炼 工 业
制 炼 制
燃料： 乙醇 生物柴油 生物氢 能源： 发电 产热 化学品： 塑料 溶剂 药品 中间产物 酚醛塑料 保健品 黏合剂 糠醛 脂肪酸 乙酸 黑色颜料 油漆 染料 色素墨水 清洁剂等 食品和饲料： 乳酸 柠檬酸等
能源微生物学的课件
2.1 石油炼制到生物炼制
2.1.1 石油炼制
石油炼制以不可再生的化石资源（石油、煤炭、天然 气等）为原料，以化学催化剂为手段，实现物质的彻底、 多元化转化（图2.1）。这一模式受到化石原料的严重制约 而终将被新的工艺所取代。
富氢气体 汽油组分
轻汽油馏分
原油
常 压 蒸 馏
催 化 重 整
水或废水 气体 光 CO2 O2 H2 CO2 微藻细胞 微藻油脂 微藻多糖 生物能源 工业医用 生物沼气 生物制氢 生物柴油 生物饲料 （肥料）
藻类
无机盐
微藻蛋白
微藻色素 维生素 微藻酶 抗生素
医药食品
图2.3 微藻的生物炼制示意图
—— 木质纤维素数量巨大、来源广泛、可再生，是生物炼 制的重要原料。玉米秸秆是其中非常易于得到的一类，秸 秆中92.5%的总糖可以通过对玉米秸秆稀酸预处理和酶水 解获得，经过炼制可以生产几乎所有我们需要的化学品和 能源（图2.4）。
2.2.2 化学工程
化学工程已经广泛地应用在当前生物炼制的工艺中，美 国能源部实施的6个生物炼制示范工厂中最先投入工业化实验
运行的是位于美国内布拉斯加州的乙醇生产厂，这个年产 1500t的工业示范装置中所使用的纤维质原料预处理技术是美 国国家可再生能源实验室的稀酸法，即用化学方法先对原料质 进行预先的处理过程。事实上不仅在预处理中，在化学品的分 离及提纯过程中化学工程都是必不可少的。
2.3.1.1 燃料乙醇
20世纪70年代第二次石油危机之后，世界各国为减少对 石油的依赖，纷纷开始研究乙醇汽油。目前这一领域的领跑 者是美国和巴西，巴西更是唯一在全国范围内使用乙醇汽油 的国家。美国有101家乙醇生产厂，在建37个乙醇厂，计
2.2.3 分离工程
生物转化后得到的物质必须经过进一步的分离纯化才可 以成为商品，离子交换法、吸附法、色谱法等都是当今生物炼
制行业常用的分离方法，其中，生物反应器工程贯穿于生物过
程与分离过程始末，在糖工业和甜味料行业用处广泛。合适又 巧妙地运用分离过程可以在很大程度上减少生产的成本。
2.2.4 过程控制工程