植物水解制乙醇技术.ppt

背景 随着世界经济的不断发展，人类对石油资源的依赖性日趋强烈，能源和环境问题日益突出。 背景 开发利用可替代能源迫在眉睫。生物能源以其环保、可再生、资源丰富等优点已成为一种重要的替代能源。 背景 生物能源主要有生物柴油和生物乙醇等形式。 但生物柴油仍存在一些缺点，比如以菜籽油为原料生产的生物柴油成本高、用化学方法合成的生物柴油工艺复杂、能耗高、设备投入大、酯化产物难于回收、回收成本高等。 生物化学转换 制乙醇：用含糖类、淀粉（C6H10O5）n较多的农作物（如玉米、高粱）为原料，通过水解、发酵制乙醇。 （C6H10O5）n+nH2O → nC6H12O6 C6H12O6→2C2H5OH+2CO2↑ 发展纤维素乙醇的意义 可用于乙醇生产的生物质资源主要有糖质原料和木质纤维原料两种。 以粮食为代表的糖质原料生产乙醇的技术虽然已经成熟，但从全球角度看，人类社会仍然面临着粮食危机，没有足够的粮食用于生产乙醇以满足能源工业和化学工业的需求。 发展纤维素乙醇的意义 发展纤维素乙醇的意义 地球上有十分丰富的、可再生的木质纤维资源，其生物量是淀粉质原料的1000倍，而人类对其利用率不足10%。 木质纤维原料中的纤维素和半纤维素可降解为单糖，继而发酵成乙醇。 生产工艺 植物纤维原料生产乙醇的主要流程为：预处理；水解糖化；发酵。 生产工艺 预处理 预处理的目的是除去或降低木质素含量，溶解半纤维素，破坏纤维素天然的结晶结构，使原料变得疏松从而增加酶与纤维素的接触面积，提高酶的水解率。 植物纤维预处理的方法有：物理法、化学法和生物法。 生产工艺 物理法 机械粉碎 高温水解 微波处理 蒸汽爆破 高能辐射 液态热水预处理等 机械粉碎 机械粉碎包括干法粉碎、湿法粉碎、振动球磨碾磨以及压缩碾磨。机械微粒粉碎法是纤维素原料预处理的常用方法之一，它能使纤维素原料在破裂、碾磨等外力作用下使颗粒变小,结晶度降低。经粉碎的纤维素粉末有膨润性,体积小,有利于提高基质浓度,可得到较高糖化液浓度。随着粉碎程度加深,表面积也增大,裸露在表面的结合点增加,从而使植物原料充分反应,提高了水解糖得率。 高温水解 当原料在300℃以上的高温条件下处理时,纤维素快速分解成为气体和残留固体。在合适的条件下,可除去植物原料中的木质素成分。高温分解后的纤维素经0. 5mol/LH2SO4, 97℃, 2. 5 h水解可使80% -85%的纤维素转化成糖,其中葡萄糖占50%以上。在热解过程中加入氧会加快分解过程,当用氯化锌或碳酸钠作催化剂时,可以在较低温度下实现对纯纤维素的分解。 微波处理 微波是指300MHz~300GHz范围的电磁波。微波处理后的粉末纤维素类物质没有胀润性,能提高纤维素的可及性和反应活性,可以提高基质浓度,得到较高浓度的糖化液,处理时间短,操作简单,但由于处理费用较高而难于得到工业化应用。 蒸汽爆破 蒸汽爆破预处理中,高温蒸汽与生物质混合一段时间后,蒸汽迅速从反应器中喷出。喷射出的蒸汽及其液化物质由于压力降低,闪速冷却。该预处理过程中,高压蒸汽渗入纤维内部,以气流的方式从封闭的孔隙中释放出来,使纤维发生一定的机械断裂;同时,高温高压加剧了纤维素内部氢键的破坏和有序结构的变化,游离出新的羟基,增加了纤维素的吸附能力,也促进了半纤维素的水解和木质素的转化。影响蒸汽爆破预处理的因素有混合时间、蒸汽温度、物料粒径以及物料湿度。 高能辐射 用高能射线如电子射线、Y射线来对纤维素原料进行预处理,可获得所期望的纤维素聚合度和增加纤维素的活性,以减少溶解用或反应用化学药品造成的废水对环境的污染。电离辐射的作用:一方面是使纤维素聚合度下降,分子质量的分布特性改变,使其分子质量分布比普通纤维素更集中;另一方面是使纤维素的结构松散,破坏纤维素的晶体结构,从而使纤维素的活性增加。辐射后的植物原料,水解糖得率可接近100%,但是辐射处理的成本较高,目前还很难用于大规模的生产。 液态热水预处理 液态热水预处理又称为水压热解、非催化溶剂分解或者水溶解。200-230℃的高压水和生物质混合15min后, 40% -60%的生物质被溶解,其中包括4% -22%的纤维素、35% -60%的木质素以及所有的半纤维素。 由于液态热水法不使用酸,所以不需使用化学药品进行缓冲与中和处理,降低了成本,对环境无污染。在热水中蒸煮时,物料颗粒会发生破裂,不需对物料进行降低颗粒大小的粉碎处理,能耗较少,半纤维素的水解率与回收率高,并且水解产物中中性残余物数量少。 生产工艺 化学法 化学法主要是以化学品作为预处理剂。破坏纤维素的结晶结构，打破木质素与纤维素的连接，同时是半纤维素溶解。 常用的化学法有碱处理、氨处理、臭氧分解、有机溶剂法、湿氧化法等 碱处理 碱