第十章 生物炼制

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•恒沸精馏法 醋酸钾（70%）与醋酸钠（30%）能溶于水和乙 恒沸精馏法----在95%乙醇中添加夹带剂苯、 •分子筛脱水 醇，可以脱去乙醇中的水。 环已烷、戊烷等进行精馏，夹带剂可与乙醇溶 •醋酸钾及醋酸钠混合液脱水法 以沸石为分子筛，装入塔中，当95%的乙醇经 乙醇脱水技术 液中的乙醇、水形成新的三元恒沸物，三元恒 过塔时，被吸附的3/4是水，1/4是乙醇。 •萃取蒸馏法 沸物与纯乙醇之间的沸点相差比较大，从而可
通过精馏获得纯度很高的乙醇。 •淀粉吸附法 采用15%-20%的醋酸盐作溶剂
•离子交换树脂脱水法
二、L-乳酸提取技术
•钙盐法
•酯化法 乳酸提取技术 •电渗析法 •溶剂萃取法 •高真空蒸馏法
第十章
生物炼制
目前的工业生产模式不可持续
• 化石资源－不可再生资源→资源危机
• 化石燃料－不可再生能源→能源危机 • 三废排放－生态环境污染→环境危机
生物质资源开发 是人类继续生存的必然选择
• 生物质资源为可再生的原料。 • 模仿自然界的生物过程，以酶为催化剂 ，（逐步地）以生物可再生资源为原料 ，来大规模生产人类所急需的能源、材 料、大宗化学品、医药等。
Abengoa Bioenergy Biomass 及Chesterfield公司
• 投资：7600万美元 • 拟建厂址：堪萨斯州 • 原料：700吨的玉米秸秆、麦秸、高粱秆、柳枝稷 以及其他原料/天 • 计划年产：1140万加仑乙醇（约3.5万吨），产生 足够的电力以供应生产设施，还有富余的能源供给 周边
美国政府的三大目标
• 2012年：纤维乙醇的生产成本在经济上具有竞争力
• 2017年：20 in 10 --- 10年后，对石油的依赖要 降低20％ • 2030年：30 by 30 --- 到2030年，美国对石油的
依赖降低30%
美国能源部半年宣布多笔巨额投资
• 2月宣布：今后四年，投资3.85亿美元，用于6个生物精炼厂 项目。总投资将超过12亿美元。全面投产后，预计每年的纤 维质乙醇产量将超过1.3亿加仑。
全谷物的原材料包括：玉米、小麦、黑小麦等。
三、绿色生物炼制
绿色生物质包括：绿色农作物和其他绿色草本植物。
第三节 生物炼制的核心技术
一、微生物细胞工厂 • 微生物细胞工厂----能够按照人类意愿，高效生产出
满足社会需要的重要产品的重组微生物。通过遗传操作 可以实现对微生物细胞代谢功能的改造，能够使微生物
ALICO有限公司
• 投资：3300万美元 • 拟建厂址：佛罗里达州LaBelle郡 • 原料：770吨木材、植物废弃物等/天 • 计划年产：1390万加仑乙醇（约4.2万吨），6255 千瓦电力，以及每天生产8.8吨氢和50吨氨
中国面临的挑战更严峻
我国是世界第二大能源生产国和消费国，2006年能源消费总
1、木质纤维素的组成及预处理技术
稀酸处理： 与强酸在高温（160-200度）高压下混合1蒸汽爆破法： 10分钟后迅速释放压力，可以将半纤维素 水解成木糖、阿拉伯糖等五碳糖。 利用高压蒸汽使反应温度达到200-240度， 热水处理法 维持30秒-20分钟后，突然减压，使物料爆 碎，半纤维素会水解成有机酸，木素部分 有机溶剂法 降解，细胞间结构疏松。 氨爆破法
量达到24.6亿吨标准煤； • 人均能源资源拥有量较低，煤炭人均探明储量仅占世界平均 水平的50%左右，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水 平的7.7%和7.1%； 能源短缺正成为制约我国经济社会发展的瓶颈问题之一。 开发利用生物质能，对于调整能源结构，缓解化石能源
供应的紧张局面，保障国家能源安全，建立可持续发展的能
素化学品及手性产品的制备，具有明显的优势。
•生物炼制需要使用较多的加工技术
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生物炼制的产品
生物质化学品
乙烯、乙醇、丙 烯酰胺、琥珀酸 等
聚乳酸、尼龙工 程材料等
生物炼制产品
生物质材料
生物质能源
沼气、乙醇汽油、 生物柴油等
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第二节 生物炼制系统
生物炼制的本质：将所使用的多种原材料，根据
源供应体系，促进经济社会可持续发展具有重大意义。
开发生物质资源的重大战略意义
• 减少石油进口；平衡外汇收支；保证国家安全
• 促进农村经济发展；增加就业机会；保持社会稳定
• 改善城市大气质量；实现封闭的碳循环，减少二氧
化碳净排放，减轻温室效应
973计划
2003年：生物催化与生物转化 2004年：极端微生物
绿色炼制
• 利用天然湿生物质原料，如青草等 为原料的炼制过程。
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一、木质纤维素原料的生wenku.baidu.com炼制
木质纤维素材料包括：秸秆、草、木材、废纸等。 主要成分：纤维素、半纤维素、木素。
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1、木质纤维素的组成及预处理技术
主要成分：纤维素、半纤维素、木素
、化学、物理法等多种加工转化途径生产各种化学
品、燃料和生物基材料的新型工业模式。
原料
各种不同的、混 合的生物性原料
•玉米以及谷物类等作物
•木质纤维素 •天然湿生物质原料
•生物处理法
处理技术
•化学方法
•热化学方法 •物理方法
多种技术联合
产品 物质及能源多样 产品系统
•燃料
•化学制品
•材料
二、生物炼制与石油炼制 • 石油炼制----以不可再生的化石资源（石油、煤炭

全域性研究可以发掘微生物生物合成调控基因，
为代谢工程改造菌种，重构微生物基因组表达及表 达调控系统提供理论依据，也为研究发酵过程参数
优化的分子机制，进一步优化发酵过程参数提供理
论依据。
三、五碳糖和六碳糖的等效代谢
五碳糖和六碳糖是生物炼制的基本原料，进一步发掘
利用五碳糖和六碳糖合成特殊化合物的基因与蛋白，阐明
• 5月宣布：2007～2011年将投入2亿美元资助小规模纤维素生
物炼制的技术开发，选择5～10个项目予以资助，要求申请 者自筹50％的经费。 另外，投资2300万美元资助5个乙醇发 酵菌研究，投3800万招标纤维素酶生产研究。 • 6月宣布：将投入3.75亿美元建立三个新的生物能源研究中
心，以加大纤维素乙醇和其他生物燃料的基础研究力度。
生物冶金
秸杆资源高值化利用 2005年：生物基化学品的生化网络 2006年：生物炼制细胞工厂 2007年：生物过程工程优化
“十一五”863计划重点项目
1,大宗发酵产品的先进发酵工艺 2,生物基化学品的生物炼制技术
3,工业酶的分子改造与工程化技术
科技部和发改委
2006年 农林生物质工程重大专项启动
生物质资源开发 是人类继续生存的必然选择
• 在地球上，每年产生的生物质总量大约 在1700亿吨，由75%糖类物质，20%的木 质素和5%其他物质（油脂、蛋白质脂肪 等）现在只有60亿吨被人类利用。
生物技术的第三次浪潮
资源生物技术（新能源、新材料等） 环境生物技术（环境治理、清洁生产、 环境友好产品等） 生物催化加工（新型酶制剂、手性合成等） 海洋生物技术（海洋资源开发、转化）
C2、C3、C4等平台化合物合成网络与流量关系的本质，逐 步解决微生物代谢的分子基础及相互关系的科学问题，有 助于我们解析代谢网络结构，发现定向优化微生物功能中 需要改变的因素，提高生物炼制细胞工厂的转化与合成能
力，对于提升生物炼质的技术水平具有重要意义。
第四节 生物基化学品制备技术
一、乙醇脱水技术
2007年 生物产业大会和国际生物经济大会 2020年 生物质能源替代运输燃料15%
第一节 生物炼制概述
一、生物炼制的基本定义 • 生物质----分布于植物体内的大量含碳化合物，主
要包括纤维素、半纤维素、木质素以及淀粉、蛋白 质及脂类化合物，是丰富的生物基产品原料。
• 生物炼制----以可再生的生物质为原料，经过生物
细胞利用廉价原料过量积累一种或多种化学品，甚至去
生产其原来并不合成的产品。
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二、系统生物技术
用系统生物学的方法来研究微生物内在生理
活动，微生物之间的相互作用，微生物与外界环 境的相互作用关系。
全基因组表达的时序及环境适用性的研究，蛋白 质组的时序及环境适用性的研究，代谢组的时序 及环境适用性的研究
、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。
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生物炼制的特点（与石油炼制比较）
• 原料可再生，不受石油枯竭的影响。
• 环境友好，没有净二氧化碳增加，燃烧后产生的二
氧化碳可被植物光合作用所利用。
•生物炼制可以获得更丰富的产品，尤其是对含氧元
其不同组分转化为糖、蛋白质以及脂肪等，再采
用发酵等生物方法转化为各种化学品。
生物炼制的过程：生物质预处理过程、酶解过程 、微生物发酵过程以及产品回收分离等。
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生 物 炼 制 系 统
木质纤维素原料 炼制
• 利用包含有纤维素的干生物质或废 料为原料的炼制过程。
全谷物炼制
• 利用玉米以及谷物类等作为原料的 炼制过程。
预处理方法
碱处理法
2、纤维素糖化发酵工艺
• 纤维素酶的生产；
• 纤维素以及其他不溶性多糖的水解；
• 纤维素水解物的发酵； • 半纤维素水解物的发酵。
3、发酵菌株选育
• 能在低pH、高温、高糖发酵条件下仍能良好生长，能
较好地利用戊糖，能抵抗生物质预处理及水解过程中
产生的副产品的抑制作用。
二、全谷物生物炼制