生物技术生产大宗化学品

三废污染少
应用
二、发酵法生产乙醇
乙醇生产常用方法：乙烯水合法、发酵法 乙醇发酵原料： ✓ 淀粉质：甘薯、玉米 ✓ 糖质：废糖蜜、甜菜 ✓ 纤维质：森林、木材工业下脚料、 ✓ 其它：亚硫酸纸浆废液，野生植物、乳清等
1.淀粉质原料乙醇生产工艺
酶
(C6H10O5)n + nH2O
淀粉
水
nC6H12O6 葡萄糖
生物柴油制备方法比较
比较项目
酯交换法
超临界法（MeOH） 酶催化法
固体碱法
反应时间 反应条件
催化剂 游离脂肪酸
0.5~8 百度文库 常压、常温~65℃
酸或碱 皂化产品
120~240s >8.09Mpa,>240℃
无 脂肪酸甲酯
60~72h 常压、常温
脂肪酶 脂肪酸甲酯
2~5h ~65℃ 固体碱 皂化产品
9 生物技术生产大宗化学品
一、概 述
生物技术：依靠生物催化剂的作用将物料进行加工 生产有用物质的一门多学科综合性的科学技术。
生物催化剂：具有催化作用的生物质细胞或酶的总 称，具有高效性、高选择性。
生物质原料
生物质：由光合作用产生的所有生物有机体的总 称，包括植物、农作物、林产物、海产物…
生物质原料特点：
酵母菌
C6H12O6
2CH3CH2OH + 2CO2 ↑
葡萄糖
乙醇（酒精） 二氧化碳
2.糖质原料乙醇生产工艺
3.纤维素原料生产乙醇工艺
3. 纤维素原料生产乙醇工艺
燃料（无水）乙醇的生产与应用
指加入汽油或柴油中（10~20%），并作为混合 燃料使用的无水乙醇。
传统发酵工艺（以谷物为原料）原料成本高，且 利用率低，能耗很大，乙醇成本高。
物油粘度 高温裂解法：在热或/和cat下植物油降解，引起化学键断
裂而产生小分子的过程 酯交换法：用一种醇(1～8 个C)置换甘油三酯中的甘油。
酯交换法
CH2-OOCR1 CH-OOCR2 + 3 ROH CH2-OOCR3
R1-COOR R2-COOR R3-COOR
CH2OH + CH-OH
碱催化反应条件温和，常温常压，在较短反应时 间内可得到较高的转化率，但原料油游离脂肪酸 和水分的含量对反应有明显影响，副产品皂化物 难以分离，甘油净化工艺复杂。
酸催化
酸cat:硫酸、磷酸、盐酸和有机磺酸 适于游离脂肪酸和水分含量高的油脂制备生物柴
油，产率高，但反应温度和压力高，甲醇用量大， 反应速度慢，反应设备需要不锈钢材料。 传统酸碱催化制备生物柴油的共同缺点是工艺复 杂，能耗高，醇用量大，反应液色泽深、杂质多， 产品难提纯，有废液排放、环境污染大。
植物油
甲酯化 分离催化剂
沉降
甲醇
上层
下层
蒸馏甲醇
蒸馏甲醇
甲酯
甘油
生物柴油清洁生产工艺流程图
植物油 甲酯化
NaOH/甲醇
沉降
上层 蒸馏甲醇
下层 蒸馏甲醇
甲醇 粗甲酯皂化剩产余品物 甲醇
酸洗、水洗、沉降
甘油
废水 生物柴油产品
生物柴油常规生产工艺图
生物催化剂
三甘油酯和部分甘油酯在酶作用下首先水解，分 别生成部分甘油酯和游离脂肪酸，游离脂肪酸和 甲醇反应生成甲酯，这与碱催化不同。
在酶催化反应过程中，植物油中含有的游离脂肪 酸可全部转化成甲酯。
酶较贵，如果采用固定化脂肪酶，酶可多次循环 使用, 则可降低成本。
超临界法
甲醇处于超临界状态，可在无cat条件下，短时间 内获得极高转化率。
通过分相可使生物柴油与甘油分开 与碱催化相比，此法对原料要求低，反应时间短，
工艺简单，成本有优势。
术，酶是存在于生物细胞中的特殊蛋白质。
微生物发酵工程：菌种的选育、生产，代谢产物的发酵
及微生物的利用
生物化学工程：采用化学工程的技术和方法，设计制造
生物反应器及其分离提纯设备
生物技术生产化工产品的特点
原料为可再生资源
生产过程温和， 常温常压
反应专一性，选择性高
设备同一性
可进行高难度的化学反应
除去物
甲醇、催化剂和皂化 物
甲醇
甲醇
固体催化剂、甲 醇和皂化产品
纯化与精制 生物柴油与甘油
甘油
甘油
甘油
过程 设备
复杂 常规
简单 高温高压
简单 常规
催化剂制备困难 常规
四、乳酸的生物合成与聚乳酸
1. 概述
乳酸（α-羟基丙酸）CH3CH(OH)COOH，L-乳酸 和D-乳酸，旋光性
聚乳酸能生物降解，是功能纤维和热塑性材料。 在生物体内先转变成生物本身存在的乳酸，在自 然界和生物体中都最终转化为CO2和水。
CH2OH
甘油三酸酯 甲醇
脂肪酸甲酯 甘油
酯交换反应使天然油脂（甘油三酸酯）的M降至原 来的 1/3，粘度降低 8 倍，所生产的生物柴油的粘度 与柴油接近。
酯交换法
均相催化（碱催化、酸催化） 非均相催化 生物催化剂 超临界法
碱催化
碱cat：NaOH、KOH、碳酸盐和烷基氧化物(例 如甲醇钠、乙醇钠、异丙醇钠等)
磷酸酮解酶
葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸木酮糖――→ 3-磷酸甘油醛
2.乳酸发酵机理
菌种：细菌和根霉 乳酸细菌发酵分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵 乳酸细菌不能直接发酵淀粉质原料，必须经过糖
化过程，转变为糖质原料才能发酵。
乳酸细菌发酵
同型乳酸发酵 葡萄糖经EMP糖酵解途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳 酸脱氢酶的催化下还原为乳酸。
异型乳酸发酵
C6H12O6 +ADP+Pi→CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH+CO2+ATP 乙酰磷酸→乙醇
大规模用于机动车燃料需降低成本。如基因工程 改性；采用更为廉价的纤维素原料。
三、生物柴油的生产
以植物、动物油脂等可再生生物资源生产的可用 于压燃式发动机的清洁替代燃油。
化学成分：长链脂肪酸甲酯， M≈300 植物油或动物脂肪与甲醇在催化剂作用下进行酯
交换反应制得
生物柴油的生产方法
直接混合法：柴油中掺和20%的植物油作为发动机燃料 微乳液法：将动植物油与溶剂混和制成微乳液，降低动植
✓ 生物质的使用对环境无CO2净增长； ✓ 生物质可被分解成多种结构的材料； ✓ 由生物质得到的原料含有一定量的氧，减少加氧过程； ✓ 采用生物质作原料，减少对石油等不可再生资源的依赖； ✓ 生物质的生长需大量土地与空间，有季节性。
生物技术分类与应用
基因工程：人工方法改组基因，培养新品种 细胞工程：细胞融合及由此衍生的单克隆抗体技术 酶工程：生物化学的酶学原理与化工技术相结合的技