生物法制乙醇

《分子设计与化工产品工程》结课论文生物法制乙醇的产品设计过程思考

天津大学

化工学院

09化工一班

王一斌

3009207018

摘要

乙醇的结构简式为C2H5OH，俗称酒精，它在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，它的水溶液具有特殊的、令人愉快的香味，并略带刺激性。乙醇的用途很广，可用乙醇来制造醋酸、饮料、香精、染料、燃料等，是用途最广和用量最大的有机溶剂之一，也是最有希望未来成为石油替代能源之一。发酵法制燃料乙醇的研究近30年来受到世界广泛的重视。用传统的发酵法生产燃料乙醇，粮耗高、能耗高、成本高，目前价格还无法与汽油竞争。造成传统方法成本高的原因主要在蒸煮工序和蒸馏工序，要消耗大量得能源。

本文将从甘薯渣微波处理发酵制乙醇；甜高粱茎秆汁多途径发酵制乙醇；玉米生料发酵制乙醇三个方面介绍现阶段先进的乙醇生物制法。希望读者对生物法制乙醇有更进一步的认识。

关键词：乙醇生料发酵甘薯渣微波处理发酵制乙醇甜高粱茎秆汁多途径发酵制乙醇玉米生料发酵制乙醇

正文

一，乙醇新制法研究的意义

1.1转化粮食

九十年代来，在我国宏观政策的引导下，粮食连续几年获得丰收。但粮食增产的结果却是粮价下跌，农民丰产不丰收；国家储备压力大，财政负担重，玉米、早稻、春小麦相继退出国家保护价，挫伤了农民的种粮积极性，对国家的粮食安全造成了极大的威胁。做好粮食的转化，对于国家的粮食的安全和社会的稳定尤为重要。而要大规模地进行粮食转化，同时又符合我国农业产业化道路及环保的要求，生产燃料乙醇，是最佳有效的途径。

1.2缓解能源短缺

能源短缺是本世纪面临的重大课题之一，各国都在为开发新能源，特别是汽油的替代品而努力。乙醇作为汽车燃料有两种方式：一是配制汽油和无水乙醇的混合物一汽油醇，通常的添加量为10～15％¨’。美国、加拿大等西方国家已有20年的使用历史。尽管乙醇的热值比汽油略低’，但由于乙醇分子中含有氧，燃烧过程的抗爆性能好，当汽油中乙醇的添加量不超过15％时，对于车辆的行驶性能没有明显的影响；一是直接利用乙醇作为燃料，这需要专门设计发动机。我国也开始了这方面的试点和研究。

1.3减轻大气污染

乙醇的辛烷值比汽油高许多，既是抗爆剂，又是助燃剂，所以用汽油醇作燃料不用再添加四乙基铅或MTBE(甲基叔丁醚)，可消除由此而带来的环境污染。另外乙醇作为燃料可以缓解地球因温室效应加剧带来的气温升高及气候恶化等严重后果。

二，乙醇的工业生产

生产乙醇的方法很多，主要分为发酵法和合成法。发酵法有粮食发酵法、木材水解法等：合成法中有亚硫酸法、乙烯水合法、乙醛加氢法、co 和H2羰基合成法等。其中具有工业生产意义是，发酵法和乙烯水合法。

2.1乙烯水合法

乙烯水合法分直接水合法和间接水合法。反应式为：

OH H O H H C 52242C −−→−+催化剂

间接水合法即乙烯在硫酸介质存在下，与液相水合为乙醇。1930年，首先由美国联合碳化物公司(Union Carbide Co)采用。但由于硫酸对设备严重的腐蚀，人们开始了直接水合法的研究。美国壳牌(Shell)化学公司首先发现了磷酸可以作为直接水合法的催化剂，于1948年实现了直接水合法的工业化口。

2.2发酵法

发酵法是乙醇生产经典的方法，是利用微生物的代谢，消耗糖类原料来产生乙醇。勤劳的我国人民在很早之前，就发明了用粮食来酿酒，这是乙醇发酵的开端。历史上关于乙醇生产的最早描述者是12世纪的Mappae Clavicula H1。但是，真正的工业化乙醇生产是在19世纪末开始发展起来的。一直到第二次世界大战期间，发酵法乙醇生产达到了高峰。之后，随着石油工业的发展，由于发酵法成本较高，无法与乙烯水合法竞争，乙烯水合法逐步成为主要的乙醇生产方法。但

近年来，因为受到环保和能源危机的压力，发酵法又重新被重视。

2.2.1发酵法所用的原料、酶制剂和菌种

采用发酵法生产乙醇可利用的原料主要有淀粉类原料(玉米、大米、小麦、薯类等)、糖质原料(甘蔗、甜菜等)、纤维质原料(秸秆、稻草、木材等)等。常用的酶制剂有糖化酶、液化酶、酸性蛋白酶、纤维素酶等。生产酒精的菌种主要是酵母，其次是细菌。

2.2.2发酵法的代谢途径

发酵过程实质上微生物的代谢过程，微生物的代谢很复杂。酵母在无氧的条件下通过EMP(Embden-Meyerhof-Parnas)途径产生乙醇。而细菌是经ED(Enmer-Doudorff)途径发酵产生乙醇。对于半纤维素水解液的戊糖是经过HMS(Hexose ．Monophgsphate Shunt)途径，转化为乙醇。目前工业化的生产中主要还是利用酵母菌发酵制乙醇(即EMP 途径)。EMP 途径如图1一l 所示，主要分为四个部分：

l 、葡萄糖分子活化生成l ，6一二磷酸果糖；

2、己糖降解生成3一磷酸甘油醛；

3、氧化产能，由3．磷酸甘油醛生成丙酮酸：

4、无氧条件下，丙酮酸生成乙醇。

酵母发酵产生乙醇可表示为：

ATP O H OH H PO H ADP O H C 222C 22252426126++−−→−++催化剂

三，传统的发酵工艺

3.1工艺流程

传统由淀粉质原料发酵生成酒精的过程是由原料的预处理、原料的蒸煮、糖化剂生产、糖化、酒母的制各、发酵和蒸馏等工段组成的。(如图2—2所示)其中原料可以是薯类和谷物等。预处理包括除杂和粉碎，使淀粉的糊化和液化进行的比较容易和彻底。高温蒸煮通常在4．413×105Pa 、120～150℃下进行，蒸煮原料30～60min ，使淀粉从细胞中游离出，并转化溶解状态。原料蒸煮后，在60～62℃下加入糖化剂，糖化20～30min ，使淀粉全部或部分转化为葡萄糖等可发酵糖。之后，接入酒母在27～30℃下进行发酵，发酵过程持续60～72h ，并不断有CO 2。放出。最后通过蒸馏得到发酵醪中的乙醇。