第七章第七章 生物基大宗化学品生物基大宗化学品1. 1. 背景背景2. 2. 产品产品3. 3. 实例实例1谷风课件A 化石原料变更趋势化石原料变更趋势化石原料变更趋势化石原料变更趋势以生物质为原料的化学工业是可持续发展的必然趋势2谷风课件A Why Biobased3谷风课件A 3019902000202020302010205020752100年年0510152025我国在世界我国在世界CO2排放中的比例排放中的比例(%)Why Biobasedl 化石经济付出了巨大的环境代价（白色污染和温室效应等）化石经济付出了巨大的环境代价（白色污染和温室效应等）l l 生物质具有资源量大，资源与能量可贮存等优点，生物质具有资源量大，资源与能量可贮存等优点，生物质具有资源量大，资源与能量可贮存等优点，生物质具有资源量大，资源与能量可贮存等优点，是实现工业原料多元化、转变对化石资源依赖的重要原料是实现工业原料多元化、转变对化石资源依赖的重要原料是实现工业原料多元化、转变对化石资源依赖的重要原料是实现工业原料多元化、转变对化石资源依赖的重要原料 4谷风课件A 发展工业生物技术的公司发展工业生物技术的公司•AveciaAvecia•Baxenden Baxenden •Billiton Billiton •Biochemie (Novartis)Biochemie (Novartis)•Cargill Dow Cargill Dow •Cereol Cereol •Ciba Ciba •Domtar Domtar •DSM DSM •ICPETICPET•BASF BASF •NovozymeNovozymenIogen nLeykamnM-I, BP AmoconMitsubishi Rayon nOji PapernPaques (Budel Zinc, PasfrostnRoche nTanabe SeiyakunWindelnDegussanDupont5谷风课件A 生物基化学品生物基化学品生物基材料生物基材料工业生物技术产品工业生物技术产品工业生物技术产品工业生物技术产品生物能源生物能源6谷风课件A l 生物基产品占石化产品总额从生物基产品占石化产品总额从20002000年的不到年的不到1%1%，增长到，增长到20082008年的年的6%6%，，并每年以高于并每年以高于30%30%的速度增长，生物基塑料更是以的速度增长，生物基塑料更是以38%38%的速度增长。
的速度增长l OECDOECD预测：至预测：至20302030年，将有年，将有35%35%化学品和其它工业产品来自生物制造化学品和其它工业产品来自生物制造l 美国：到美国：到20302030年替代年替代25%25%有机化学品和有机化学品和20%20%的石油燃料的石油燃料l 欧盟：化学品替代欧盟：化学品替代10-20%10-20%，， 其中化工原料替代其中化工原料替代6-12%6-12%，精细化学品替，精细化学品替代代30-60%30-60%工业工业 39%农业农业36%医药医药25%2030年：生物技术的经济贡献与环境效益年：生物技术的经济贡献与环境效益生物基化学品正成为全球战略性新兴产业生物基化学品正成为全球战略性新兴产业生物基化学品正成为全球战略性新兴产业生物基化学品正成为全球战略性新兴产业 7谷风课件A 生物基化学品已成为大型跨国公司竞争的焦点生物基化学品已成为大型跨国公司竞争的焦点生物基化学品已成为大型跨国公司竞争的焦点生物基化学品已成为大型跨国公司竞争的焦点l杜邦公司剥离石油资产，购买了生物技术公司和组织农业综合企业，未来3年将向应用生物技术部门投资5亿美元，并将2010年销售额的25%定位于生物质产品。
l欧洲BASF、DSM、Lonza、Degussa和Roche等大型跨国公司已纷纷转向工业生物技术领域，并已有产品投放市场lDowpharma，Cambrex和Archimica等精细化工公司，主要通过收购其他相关公司来大幅度增强其生物催化研发能力lIBM、Microsoft等IT巨头也纷纷涉足生物技术的研究与开发lAmano Enzyme, Codexis， BioCatalytics, Novozymes，Bioverdent等大型跨国公司十分关注中国市场的开发，纷纷在我国设立以生物制造为核心技术的分支研发机构或工厂，必将对我国新兴生物制造产业形成新一轮的冲击8谷风课件A 传统方法传统方法8 8步化学合成步化学合成步化学合成步化学合成影响影响环境和经济分析环境和经济分析环境环境因子因子低低低低高高高高成本成本传统方法传统方法传统方法传统方法生物法生物法生物法生物法高高高高低低低低• 废水减少废水减少6666％；％；• 废气减少废气减少5050％；％；• 成本降低成本降低5050％生物法生物法 1 1步发酵步发酵步发酵步发酵维生素维生素B2的生产（的生产（BASF公司）公司）9谷风课件A 传统方法传统方法1010步生物化学过程步生物化学过程步生物化学过程步生物化学过程生物法生物法 发酵和酶法结合发酵和酶法结合发酵和酶法结合发酵和酶法结合n 原材料成本降低原材料成本降低65％；％；n 能耗降低能耗降低65％；％；n 成本降低成本降低50％。
％先锋霉素的生产（先锋霉素的生产（DSM公司）公司）10谷风课件A 资料来自资料来自EuropaBio主席主席Sijbesma F报告报告生物基化学品是推动节能减排和发展低碳经济基本生物基化学品是推动节能减排和发展低碳经济基本生物基化学品是推动节能减排和发展低碳经济基本生物基化学品是推动节能减排和发展低碳经济基本国策的必然选择国策的必然选择国策的必然选择国策的必然选择v 废水降低废水降低65％％v 能耗降低能耗降低65％％v 成本降低成本降低50％％传统方法传统方法10步化学合成步化学合成生物法生物法1步发酵步发酵+酶法酶法头孢菌素头孢菌素头孢菌素头孢菌素v 原料降低原料降低37% v 能耗降低能耗降低30%v CO2减排减排63% 1,3-1,3-丙二醇丙二醇丙二醇丙二醇传统方法传统方法化学法化学法生物法生物法工程菌发酵工程菌发酵精细化学品精细化学品大宗化学品大宗化学品v 蒸汽降低蒸汽降低80％％v 电耗降低电耗降低67％％v CO2降低降低80％％v原料降低原料降低8 ％％v质量显著提升质量显著提升传统方法传统方法硫酸或铜催化水合硫酸或铜催化水合生物法生物法全细胞催化全细胞催化大宗化学品大宗化学品丙烯酰胺丙烯酰胺丙烯酰胺丙烯酰胺11谷风课件A 化工产品规模与需求量急剧扩大化工产品规模与需求量急剧扩大化工产品规模与需求量急剧扩大化工产品规模与需求量急剧扩大ü化工园区污染严重，化工园区污染严重，面临搬迁技改面临搬迁技改ü原料供给不足原料供给不足生物基化学品生物基化学品生物基化学品生物基化学品——传统化工行业可持续发展的保障传统化工行业可持续发展的保障传统化工行业可持续发展的保障传统化工行业可持续发展的保障生物制造产业发展生物制造产业发展迎来历史机遇迎来历史机遇产业转型产业转型传统化工行业绿色生物产业优势：清洁、优势：清洁、低能耗、可再低能耗、可再生生 、低碳、低碳12谷风课件A 第七章第七章 生物基大宗化学品生物基大宗化学品1. 1. 背景背景2. 2. 产品产品3. 3. 实例实例13谷风课件A 重要生物基化学品的市场份额重要生物基化学品的市场份额重要生物基化学品的市场份额重要生物基化学品的市场份额目前生物基化目前生物基化学品已占学品已占各类产品总销各类产品总销售额的售额的6%6%。
类别类别产品产品销售额销售额(billion $)(billion $)醇醇乙醇乙醇15.015.0有机酸有机酸柠檬酸柠檬酸2.02.0氨基酸氨基酸谷氨酸谷氨酸1.51.5赖氨酸赖氨酸1.01.0维生素维生素VCVC1.01.0VBVB2 20.30.3医药化学品医药化学品药物中间体药物中间体7.57.5专有化学品专有化学品酶酶2.02.0香料香料1.51.514谷风课件A 产品产品产量产量 (kt/a)(kt/a)产品产品产量产量 (kt/a)(kt/a)谷氨酸谷氨酸10001000乳酸乳酸50.050.0丙氨酸丙氨酸10.010.0衣康酸衣康酸6.06.0赖氨酸赖氨酸50.050.0酒石酸酒石酸3.03.0苯丙氨酸苯丙氨酸2.02.0香料香料1.51.5柠檬酸柠檬酸360.0360.0苹果酸苹果酸20.020.0VcVc50.050.0乙醇乙醇24002400丙烯酰胺丙烯酰胺100.0100.0长链二元酸长链二元酸1.01.0谷氨酸和柠檬酸产量世界第一，维生素谷氨酸和柠檬酸产量世界第一，维生素C占世界占世界总产量的总产量的40％中国的生物基化学品产业中国的生物基化学品产业15谷风课件A 中国与世界生物发酵产品技术指标比较中国与世界生物发酵产品技术指标比较国内水平国内水平国际水平国际水平产品产品Conc.(%)Conc.(%)Yield(%)Yield(%)Conc.(%)Conc.(%)Yield(%)Yield(%)Glutamic acidGlutamic acid12-1312-1345-5545-5515-1815-1860-6560-65LysineLysine8-108-1040-4540-4515-1615-166060Lactic acidLactic acid22222525Itaconic acidItaconic acid7-87-812-1412-14Citric acidCitric acid20202525AmylaseAmylase500-750 u/ml500-750 u/ml1000-1100 u/ml1000-1100 u/mlProteaseProtease20000-25000 u/ml20000-25000 u/ml25000-30000 u/ml25000-30000 u/mlSaccharifying enzymeSaccharifying enzyme35000 u/ml35000 u/ml50000 u/ml50000 u/mlPenicillin GPenicillin G60000 u/ml60000 u/ml60000-89000 u/ml60000-89000 u/mlVitamin BVitamin B2 21000-1200 mg/L1000-1200 mg/L2000-2500 mg/L2000-2500 mg/L技术水平低技术水平低生产成本高生产成本高16谷风课件A 中国发酵工业主要产品产量情况中国发酵工业主要产品产量情况中国发酵工业主要产品产量情况中国发酵工业主要产品产量情况 17谷风课件A 20092009年中国发酵行业各类产品产量年中国发酵行业各类产品产量 序号分类产量（万吨）同比增长量（%）1氨基酸行业30412.62有机酸行业1286.43淀粉糖行业74010.74多元醇行业936.85酶制剂行业7013.26酵母行业2112.07特种功能发酵制品1846.28总计154010.3 20092009年中国发酵行业产值超过年中国发酵行业产值超过年中国发酵行业产值超过年中国发酵行业产值超过16001600亿元，同比增长亿元，同比增长亿元，同比增长亿元，同比增长14.3%14.3%18谷风课件A 2005-20092005-20092005-20092005-2009年中国白酒的产量及销售额年中国白酒的产量及销售额年中国白酒的产量及销售额年中国白酒的产量及销售额19谷风课件A 中国啤酒的产量及销售额中国啤酒的产量及销售额中国啤酒的产量及销售额中国啤酒的产量及销售额v世界啤酒产量：世界啤酒产量：1811018110万吨万吨20谷风课件A 中国酱油和醋产量居世界第一中国酱油和醋产量居世界第一中国酱中国酱油产量油产量中国醋中国醋产量产量21谷风课件A 玉米酒精发酵丁二酸发酵乳酸发酵CO2糖乙醇乙醇乙烯（重大石化产品原料替代）乙烯（重大石化产品原料替代）聚乳酸聚乳酸丁二酸 丁二酸 醋酸醋酸乳酸乳酸聚乙烯聚乙烯玉米油玉米油醋酸乙烯醋酸乙烯丁二酸二乙醇酯丁二酸二乙醇酯 －丁内酯－丁内酯四氢呋喃四氢呋喃1,4-1,4-丁二醇丁二醇PBSPBS塑料塑料丙烯酸丙烯酸高纯度乙烯高纯度乙烯玉米炼制联产化学品、生物材料系统玉米炼制联产化学品、生物材料系统22谷风课件A 乳酸聚乳酸糖丙烯酸催化脱水发酵 1mol 葡萄糖可以生成葡萄糖可以生成 2mol乳酸，理论上乳酸，理论上 1 吨糖可得吨糖可得 1 吨吨乳酸，实际转化率可以达到乳酸，实际转化率可以达到 90－－ 95％。
％乳酸乳酸乳酸乳酸————重要重要重要重要C3C3平台化合物平台化合物平台化合物平台化合物23谷风课件A 聚乳酸聚乳酸可再生资源可再生资源乳酸的聚合物聚乳酸是一种极有前途的生物材料乳酸的聚合物聚乳酸是一种极有前途的生物材料乳酸的聚合物聚乳酸是一种极有前途的生物材料乳酸的聚合物聚乳酸是一种极有前途的生物材料乳酸乳酸生物相容生物相容性材料性材料生物可降生物可降解塑料解塑料聚乳酸聚乳酸• 良好的机械性能和物理性能良好的机械性能和物理性能——纺织品纺织品• 良好的生物可降解性良好的生物可降解性——包装材料包装材料• 良好的生物相容性良好的生物相容性——医药领域医药领域24谷风课件A Cargill – Developed PLA Process20012001年年Cargill DowCargill Dow公司年产聚乳酸公司年产聚乳酸1414万吨的工厂投产万吨的工厂投产 20202020年世界聚乳酸需求量每年达年世界聚乳酸需求量每年达11501150～～23002300万吨25谷风课件A 生物基丙烯酸生物基丙烯酸丙烯酸丙烯酸乳酸乳酸 发酵发酵 脱脱水水 多步反应多步反应2010年丙烯酸需求量达到116万吨 26谷风课件A 1,3-1,3-丙二醇丙二醇丙二醇丙二醇1,3-丙二醇丙二醇PTT27谷风课件A l l一种新型的聚酯材料，它与聚对苯二甲酸乙二酯（一种新型的聚酯材料，它与聚对苯二甲酸乙二酯（一种新型的聚酯材料，它与聚对苯二甲酸乙二酯（一种新型的聚酯材料，它与聚对苯二甲酸乙二酯（PETPETPETPET）和聚对）和聚对）和聚对）和聚对苯二甲酸丁二酯（苯二甲酸丁二酯（苯二甲酸丁二酯（苯二甲酸丁二酯（PBTPBTPBTPBT）相比具有更优良的特性。
相比具有更优良的特性相比具有更优良的特性相比具有更优良的特性l l尼龙样的弹性恢复，在全色范围内无需添加特殊化学品即能呈尼龙样的弹性恢复，在全色范围内无需添加特殊化学品即能呈尼龙样的弹性恢复，在全色范围内无需添加特殊化学品即能呈尼龙样的弹性恢复，在全色范围内无需添加特殊化学品即能呈现良好的连续印染特性，抗紫外、臭氧和氮氧化合物的着色性，现良好的连续印染特性，抗紫外、臭氧和氮氧化合物的着色性，现良好的连续印染特性，抗紫外、臭氧和氮氧化合物的着色性，现良好的连续印染特性，抗紫外、臭氧和氮氧化合物的着色性，抗内应力，低水吸附，低静电以及良好生物降解性能等抗内应力，低水吸附，低静电以及良好生物降解性能等抗内应力，低水吸附，低静电以及良好生物降解性能等抗内应力，低水吸附，低静电以及良好生物降解性能等l l这些特性显示出这些特性显示出这些特性显示出这些特性显示出PTTPTTPTTPTT美好的工业化前景，它不仅可以作为新型合美好的工业化前景，它不仅可以作为新型合美好的工业化前景，它不仅可以作为新型合美好的工业化前景，它不仅可以作为新型合成纤维在地毯和纺织品方面有着广阔的应用前景，而且在工程成纤维在地毯和纺织品方面有着广阔的应用前景，而且在工程成纤维在地毯和纺织品方面有着广阔的应用前景，而且在工程成纤维在地毯和纺织品方面有着广阔的应用前景，而且在工程热塑性塑料领域也有巨大的应用潜力，因此热塑性塑料领域也有巨大的应用潜力，因此热塑性塑料领域也有巨大的应用潜力，因此热塑性塑料领域也有巨大的应用潜力，因此PTTPTTPTTPTT将成为将成为将成为将成为PETPETPETPET、、、、PBTPBTPBTPBT、、、、尼龙尼龙尼龙尼龙66666666等聚合物的强劲竞争对手。
等聚合物的强劲竞争对手等聚合物的强劲竞争对手等聚合物的强劲竞争对手聚二甲苯丙二酯聚二甲苯丙二酯 PTT28谷风课件A PTT纤维（纤维（DuPont’s Sorona 3GT polymer 4.5万吨万吨 ））能耗降低25% 2020年达100万吨/年29谷风课件A Top Value Added Chemicals from Biomass30谷风课件A 生物基平台化合物生物基平台化合物31谷风课件A Initial Screening to the Top 30from 300+ Potential Biobased Compounds32谷风课件A Selected Sugar-derived Chemicals33谷风课件A “TOP 12” Value-added Building Blocks C33-Hydroxy Propionic acid;GlycerolC43-Hydroxybutyrolactone;Aspartic acid;Levulinic acid;1,4-Diacids(succinic, fumaric and malic acids)Glutamic acid; XylitolItaconic acid; 2,5-FuranDicarbolic acid; Glucaric acid; SorbitolC5C6Biorefinery34谷风课件A （（1））3-Hydroxypropionic Acid35谷风课件A 3-Hydroxypropionic Acid36谷风课件A 3-Hydroxypropionic Acid37谷风课件A （（（（2 2））））Succinic Acid Chemicals to DerivativesSuccinic Acid Chemicals to Derivatives38谷风课件A 玉米、大麦、木材可再生资源淀粉/葡萄糖丁二酸固定固定CO2 C6H12O6+ CO2 C4H6O4 利用温室气体，而且原子经济性高，相对葡萄利用温室气体，而且原子经济性高，相对葡萄糖理论质量收率为糖理论质量收率为131%。
丁二酸：重要的丁二酸：重要的C4C4平台化合物平台化合物平台化合物平台化合物39谷风课件A 丁二酸的前景丁二酸的前景丁二酸的前景丁二酸的前景l l生物合成丁二酸的方法可减少生物合成丁二酸的方法可减少生物合成丁二酸的方法可减少生物合成丁二酸的方法可减少 250 250 多种苯基化学制品的生产多种苯基化学制品的生产多种苯基化学制品的生产多种苯基化学制品的生产和消费过程中所产生的污染，拓展丁二酸的应用领域与商品和消费过程中所产生的污染，拓展丁二酸的应用领域与商品和消费过程中所产生的污染，拓展丁二酸的应用领域与商品和消费过程中所产生的污染，拓展丁二酸的应用领域与商品市场，总量将达市场，总量将达市场，总量将达市场，总量将达 400 400 万吨l lC4C4大宗化学品丁二醇、四氢呋喃、大宗化学品丁二醇、四氢呋喃、大宗化学品丁二醇、四氢呋喃、大宗化学品丁二醇、四氢呋喃、 - -丁内酯等的市场需求超丁内酯等的市场需求超丁内酯等的市场需求超丁内酯等的市场需求超过过过过200200亿元亿元亿元亿元/ /年40谷风课件A （（3））2,5-Furandicarboxylic Acid41谷风课件A 果糖转化为果糖转化为FDCAFDCA42谷风课件A （（4））Aspartic Acid（天门冬氨酸）（天门冬氨酸）43谷风课件A （（5））Glucaric Acid（葡糖二酸）（葡糖二酸）44谷风课件A （（6））Glutamic Acid（谷氨酸）（谷氨酸）45谷风课件A （（7））Itaconic Acid46谷风课件A Itaconic Acid（衣康酸）（衣康酸）47谷风课件A （（8））Levulinic Acid48谷风课件A 果糖转化为果糖转化为LEVALEVA49谷风课件A （（9））3-Hydroxybutyrolactone（（3-羟基羟基-γ-丁内酯）丁内酯）50谷风课件A （（10））Glycerol51谷风课件A （（11））Sorbitol52谷风课件A Sorbitol53谷风课件A （（12））Xylitol/arabinitol54谷风课件A Xylitol/arabinitol55谷风课件A 第七章第七章 生物基大宗化学品生物基大宗化学品1. 1. 背景背景2. 2. 产品产品3. 3. 实例实例（（1 1）生物乙烯）生物乙烯（（2 2）生物基富马酸）生物基富马酸56谷风课件A 乙烯乙烯聚聚乙乙烯烯环环氧氧乙乙烷烷乙二醇乙二醇 苯乙烯苯乙烯乙丙橡胶乙丙橡胶VAE乙烯是生产有机化工产品最重要的基础原料，乙烯是生产有机化工产品最重要的基础原料，是生产高分子材料用量最大的原料单体是生产高分子材料用量最大的原料单体（（1 1）生物乙烯）生物乙烯到到2020年乙烯的自给率不超过年乙烯的自给率不超过58%。
发展生物乙烯是保障我国能源安全和社会发展生物乙烯是保障我国能源安全和社会经济可持续发展的必由之路，是石油替代战略的重要内容，是石油乙烯的重要经济可持续发展的必由之路，是石油替代战略的重要内容，是石油乙烯的重要补充，是发展生物基大宗化学品和生物基材料产业的基础补充，是发展生物基大宗化学品和生物基材料产业的基础研究背景研究背景乙烯需求乙烯需求乙烯应用乙烯应用57谷风课件A 原料来源广泛，可再生 反应条件温和 工艺流程简单，操作方便 装置能耗低，装置设备少 建厂不受地域性限制 装置投资低，占地面积小， 建设周期短，投资回收快 环境友好生物乙烯特点生物乙烯特点石石油油基基乙乙烯烯蒸汽裂解工艺 乙醇脱水制乙烯工艺 优势优势58谷风课件A 低成本乙醇生产技术低成本乙醇生产技术新型反应器设计新型反应器设计高性能脱水催化剂高性能脱水催化剂生物乙烯生产工艺生物乙烯生产工艺系统集成系统集成生物乙烯产业化关键技术生物乙烯产业化关键技术工艺耦合一体化设计工艺耦合一体化设计高效节能分离系统高效节能分离系统59谷风课件A 关键技术关键技术1：低成本乙醇生产技术研究：低成本乙醇生产技术研究秸秆秸秆（木质纤维素）（木质纤维素）木薯木薯甜高粱甜高粱北京化工大学北京化工大学中科院微生物研中科院微生物研究所究所南京工业大学南京工业大学玉米玉米以非粮原料替代粮食原料生以非粮原料替代粮食原料生产乙醇，直接从源头上降低产乙醇，直接从源头上降低生物乙烯的生产成本，保障生物乙烯的生产成本，保障生物乙烯原料供给。
生物乙烯原料供给强强联手强强联手联合攻关联合攻关天天津津科科技技大大学学山山东东大大学学中中国国农农科科院院南南京京工工业业大大学学江江南南大大学学南南京京工工业业大大学学安安徽徽丰丰原原集集团团中中石石化化、、中中粮粮纤维素乙醇工艺路线纤维素乙醇工艺路线甜高粱汁的发酵工艺甜高粱汁的发酵工艺木薯原料发酵高浓度乙醇木薯原料发酵高浓度乙醇60谷风课件A 联合中石化进行联合中石化进行3000吨吨/年年秸秆处理量的木质纤维素乙醇的成套工艺中试秸秆处理量的木质纤维素乙醇的成套工艺中试研究，联合中粮在黑龙江肇东建成研究，联合中粮在黑龙江肇东建成500吨吨/年年纤维素乙醇的中试生产线纤维素乙醇的中试生产线① ① 纤维素乙醇生产工艺研究纤维素乙醇生产工艺研究木质纤维预处理技术木质纤维预处理技术木质纤维预处理技术木质纤维预处理技术酶制备技术与纤维素酶水解技术酶制备技术与纤维素酶水解技术酶制备技术与纤维素酶水解技术酶制备技术与纤维素酶水解技术菌株与发酵技术菌株与发酵技术菌株与发酵技术菌株与发酵技术低能耗的糖液、乙醇提浓技术低能耗的糖液、乙醇提浓技术低能耗的糖液、乙醇提浓技术低能耗的糖液、乙醇提浓技术木质素综合利用技术木质素综合利用技术木质素综合利用技术木质素综合利用技术主要解决以下问题：主要解决以下问题：61谷风课件A 采用稀酸采用稀酸/ /蒸爆蒸爆( (螺杆造压爆破螺杆造压爆破) )联合预处理技术，建立了一套低成本、高效、联合预处理技术，建立了一套低成本、高效、快速的纤维素预处理工艺技术，快速的纤维素预处理工艺技术，戊糖得率戊糖得率85%85%以上。
以上实现目标实现目标针对纤维素原料预处理周期长、效率低、成本高的问题针对纤维素原料预处理周期长、效率低、成本高的问题80型螺杆蒸爆装置型螺杆蒸爆装置 150型螺杆蒸爆装置型螺杆蒸爆装置150型螺杆蒸爆装置型螺杆蒸爆装置 实现连实现连 续蒸爆续蒸爆 三段式螺杆蒸爆装置三段式螺杆蒸爆装置 62谷风课件A u筛选获得高活力纤维素酶菌，采用筛选获得高活力纤维素酶菌，采用液体深层发酵液体深层发酵制备纤维素酶技术，降低制备纤维素酶技术，降低纤维素酶生产成本，纤维素水解得率可达纤维素酶生产成本，纤维素水解得率可达85%85%以上以上u对商品纤维素酶进行了比选及复配，较单一纤维素酶，多种酶系成分协同对商品纤维素酶进行了比选及复配，较单一纤维素酶，多种酶系成分协同作用，其纤维素酶的作用，其纤维素酶的水解效率提高了水解效率提高了30%以上，以上，总糖浓度达总糖浓度达33.6 g/Lu设计加工了设计加工了适用于适用于高底物浓度高底物浓度酶解的酶解的新型新型卧式酶解反应器，卧式酶解反应器，底物浓度可以底物浓度可以达到达到30%以上，以上，总糖浓度可以达到总糖浓度可以达到250g/L以上以上针对纤维素酶酶解效率低的问题针对纤维素酶酶解效率低的问题实现目标实现目标立式内搅拌立式内搅拌 搅拌桨搅拌桨 A A-二框板；B-三框板，C-翅型，D-双螺带 BCD卧卧式式内内搅搅拌拌 A：一挡板，B：二挡板，C：三挡板，D：四挡板， 搅搅拌拌桨桨 ACBD63谷风课件A ② ② 甜高粱汁发酵生产乙醇工艺研究甜高粱汁发酵生产乙醇工艺研究研究以研究以乙酸水解预处理甜高粱渣半乙酸水解预处理甜高粱渣半纤维纤维素，制糖发酵生产的新工艺技素，制糖发酵生产的新工艺技术，术，降低酸的用量，生产工艺绿色降低酸的用量，生产工艺绿色化，化，水解半纤维素在水解半纤维素在80%以上以上，，制糖得率在制糖得率在0.5克克/克甜高粱渣。
克甜高粱渣采用采用固定化细胞反应器固定化细胞反应器，利，利用甜高粱杆榨汁废渣进行用甜高粱杆榨汁废渣进行固定化酵母细胞发酵乙醇固定化酵母细胞发酵乙醇浓度浓度高达高达15%，，糖糖转化率达转化率达到到96％％以上，以上，连续发酵连续发酵30天天Ø针对传统水解法水解液含盐类过高针对传统水解法水解液含盐类过高,后处理废物对环境不友好的问题：后处理废物对环境不友好的问题：Ø针对发酵生产过程中效率低的问题针对发酵生产过程中效率低的问题 实现目标实现目标64谷风课件A ③ ③ 木薯原料发酵产乙醇研究木薯原料发酵产乙醇研究研究多酶系和酵母糖化发酵机理建立研究多酶系和酵母糖化发酵机理建立“糖化糖化-发酵发酵”耦合耦合动力学模型，动力学模型，控制发酵过程物流平衡控制发酵过程物流平衡发酵周期发酵周期缩短缩短12 h左右，左右，酒度酒度提高提高0.6度，度，原料原料相对出酒率提高相对出酒率提高4.6%，最大限度消除酒精浓醪发酵过程中的前，最大限度消除酒精浓醪发酵过程中的前期高渗抑制与后期糖化速度限制从而提高浓醪发酵速度期高渗抑制与后期糖化速度限制从而提高浓醪发酵速度(提高了提高了15%)Ø针对单一淀粉酶降解效率低针对单一淀粉酶降解效率低 发酵周期长的问题发酵周期长的问题 实现目标实现目标65谷风课件A ④ ④ 高产乙醇菌种构建研究高产乙醇菌种构建研究u 降低原料对乙醇的转化率，增加生产中的原料成本降低原料对乙醇的转化率，增加生产中的原料成本 。
u 严重影响催化剂寿命严重影响催化剂寿命解决措施：基因工程菌的构建解决措施：基因工程菌的构建 采用代谢工程及基因工程等技术手段，优化糖代谢网络，构建低产高级醇的酵母菌种初步完成低产高级醇酵母菌株的构建工作初步完成低产高级醇酵母菌株的构建工作高级醇总量下降了高级醇总量下降了60%66谷风课件A 关键技术关键技术2:高性能脱水催化剂研究高性能脱水催化剂研究分子筛催化剂分子筛催化剂氧化铝催化剂氧化铝催化剂反应温度高，空速低，反应温度高，空速低，稳定性好，寿命长稳定性好，寿命长反应温度低、空速反应温度低、空速高；抗积碳能力差、高；抗积碳能力差、寿命短通过金属负载，调整催通过金属负载，调整催化剂的表面性能，提高化剂的表面性能，提高原料处理能力和乙烯选原料处理能力和乙烯选择性，减少副反应择性，减少副反应通通过过筛筛选选合合适适的的载载体体、、寻寻找找载载体体改改性性及及成成型型方方法法，，提提高高催催化化剂剂抗抗积积碳碳能能力力和和水水热热稳稳定定性性，，延长催化使用寿命延长催化使用寿命催化剂特性催化剂特性研究内容研究内容相相互互借借鉴鉴、、取取长长补补短短现有工艺使用的催化剂现有工艺使用的催化剂具有开发前景的催化剂具有开发前景的催化剂67谷风课件A ① ① 高性能高性能γ-Al2O3 合成与改性研究合成与改性研究γ-Al2O3 沉淀法沉淀法溶胶溶胶-凝胶法凝胶法 铁浸渍改性铁浸渍改性 0.5%Fe/γ-Al2O3 反应温度反应温度380 ℃ 乙醇浓度乙醇浓度92.4wt% 空速空速1.2 h-1 ，乙醇转化率和乙烯选择，乙醇转化率和乙烯选择性分别为性分别为99.9%和和98.6% 非离子模板剂非离子模板剂P123以异丙醇铝为铝源，乙醇为溶剂以异丙醇铝为铝源，乙醇为溶剂 反应温度反应温度380 ℃，无水乙醇，空速，无水乙醇，空速2.5 h-1时，乙醇时，乙醇转化率和乙烯选择性分别转化率和乙烯选择性分别能达到能达到98.2%和和99.8% 介孔介孔γ-Al2O3 铁浸渍改性铁浸渍改性 现有现有γ-Al2O3的反应温度的反应温度380 ℃，转化率，转化率98%，选择性，选择性96%，空速，空速0.6-0.8h-1。
转化率、乙烯选择性和反应空速都得以提高转化率、乙烯选择性和反应空速都得以提高1%Fe/介孔介孔γ-Al2O368谷风课件A 成型研究成型研究润滑剂、粘合剂润滑剂、粘合剂等助剂的添加等助剂的添加合适的粒径、粒度合适的粒径、粒度分布、比表面积分布、比表面积催化活性与选择性催化活性与选择性等催化性能考察等催化性能考察合适的表面酸性、合适的表面酸性、孔体积及空隙率孔体积及空隙率v 强度强度: 12N/mmv 抗粉化能力抗粉化能力: 1年年v 乙醇转化率乙醇转化率: 98%~99%v 乙烯选择性乙烯选择性: 98%~99% v 催化剂寿命：催化剂寿命：31天天成型后的性能参数成型后的性能参数② ② 高性能高性能HZSM-5分子筛催化剂研究分子筛催化剂研究69谷风课件A ③ ③ 载体复合改性和工艺条件优化载体复合改性和工艺条件优化HZSM-5助剂助剂La和和K含量含量反应物乙醇浓度反应物乙醇浓度催化剂焙烧温度催化剂焙烧温度反应空速反应空速反应温度反应温度优化优化工艺工艺金属金属元素元素3%La-K/HZSM-5非金属非金属元素元素寿命寿命试验试验放大放大试验试验La3+、、Ce3+、、Sm3+、、Eu3+ Mg2+、、Ca2+、、 Sr2+ 、、Ba2+ 锌、铁、锌、铁、锰、钴、锰、钴、镉、锆镉、锆 P70谷风课件A 3%La-K/HZSM-5相比于相比于NKC-03A催化剂，反应温度更低，使用寿命更长，催化剂，反应温度更低，使用寿命更长，是至今报道乙醇脱水反应使用寿命最长的分子筛类催化剂。
是至今报道乙醇脱水反应使用寿命最长的分子筛类催化剂催化剂温度(℃)质量空速(h-1)乙醇转化率(mol%)选择性(%)稳定时间(h)NKC-03A（南开大学）（南开大学）250～～3401～～498～～9998～～999603%La-K/HZSM-5250～～3001.2>98>98>2600（可再生）（可再生）④ ④ 催化剂性能评价催化剂性能评价71谷风课件A HZSM-5载体载体0.5%La-2%PHZSM-5金属、非金属元素金属、非金属元素 复合修饰复合修饰u 反应温度反应温度: 260-300 ℃u乙醇转化率乙醇转化率: 接近接近100%u乙烯选择性乙烯选择性: ﹥98% u具有更强的抗积炭能力具有更强的抗积炭能力u具有显著增强的抗杂醇能力具有显著增强的抗杂醇能力 杂醇主要成分：杂醇主要成分：⑤ ⑤ 抗杂醇油研究抗杂醇油研究72谷风课件A 等温列管式反应器：等温列管式反应器：目前固定床反应器的内部结构设计不合理目前固定床反应器的内部结构设计不合理,传热传质传热传质较差较差,温差达到（温差达到（±40℃℃），），产物选择性低，分离能耗高；工程放大困难，产物选择性低，分离能耗高；工程放大困难，适合精细化工领域的产品加工适合精细化工领域的产品加工，不适合与大规模生产的聚乙烯、乙二醇等，不适合与大规模生产的聚乙烯、乙二醇等乙烯下游衍生产品装置相衔接；分子筛催化剂对反应温度相对敏感，适合乙烯下游衍生产品装置相衔接；分子筛催化剂对反应温度相对敏感，适合等温床反应工艺。
等温床反应工艺绝热床反应器：绝热床反应器：适合建立大规模的工业化装置适合建立大规模的工业化装置（单套生产能力（单套生产能力2万吨万吨/年以年以上），但是目前技术由美国上），但是目前技术由美国SD公司和巴西公司和巴西Petrobras所垄断所垄断等温列管式固定床反应器等温列管式固定床反应器平行串联绝热反应器平行串联绝热反应器没有自主知识没有自主知识产权，能耗和产权，能耗和三废排放大三废排放大关键技术关键技术3: 3: 新型反应器设计新型反应器设计73谷风课件A 反反应应器器在在采采用用强强制制对对流流循循环环熔熔盐盐控控温温系系统统后后,温温差差控控制制在在±5℃;乙乙烯烯收收率率得得到了明显提高到了明显提高,由由原来的原来的89%提升至提升至95%~97%① ① 现有等温固定床反应器加热系统改造现有等温固定床反应器加热系统改造控温系统控温系统催化剂催化剂反应温度反应温度温差温差乙烯收率乙烯收率(%)新型控温系统γ- Al2O3360℃±5℃95%~97%传统控温系统γ- Al2O3400℃ ±40℃89%74谷风课件A 列管三根，内径：列管三根，内径：32mm32mm，高度，高度2.0m2.0m，催化剂，催化剂装填高度装填高度1.5m1.5m，催化剂装填量，催化剂装填量2.0kg2.0kg，反应温度，反应温度250-250-400℃400℃，可分别采用，可分别采用γγ- Al- Al2 2O O3 3和分子筛为催化剂和分子筛为催化剂② ② 年产百吨级等温固定床反应器中试示范装置年产百吨级等温固定床反应器中试示范装置在等温固定床在等温固定床 数值模拟的基数值模拟的基础上我们建立础上我们建立了了百吨级的百吨级的中中试装置试装置75谷风课件A 已完成已完成3000吨吨/年生产装置的中试实验，并通过了相关专家的技术验证！年生产装置的中试实验，并通过了相关专家的技术验证！成功申报了发改委国家高技术产业化专项：成功申报了发改委国家高技术产业化专项：万吨级生物基乙烯产业化专项（示范）工程项目万吨级生物基乙烯产业化专项（示范）工程项目 南京工业大学南京工业大学上海石油化工研究设计院上海石油化工研究设计院项项目目实实施施技技术术持持支支技技术术持持支支中试装置中试装置③ ③ 绝热床反应器工艺研究绝热床反应器工艺研究76谷风课件A 乙烯乙烯:33.6%丁二烯丁二烯:4.5%甲烷甲烷:17.2%丁烷、丁烯丁烷、丁烯:4.2%丙烯丙烯:15.5%苯苯:6.7%传统石油乙烯：传统石油乙烯：传统生物乙烯：传统生物乙烯：催化催化裂解裂解成品乙烯成品乙烯催化催化脱水脱水生物乙醇生物乙醇石脑油石脑油高效节能分离系统高效节能分离系统气体副产物的安全气体副产物的安全引入引入,并储存做燃料并储存做燃料多组分产物多组分产物乙烯：乙烯：93-95%乙烷：乙烷：2-3%C3、、C4：：1-2%……组分相对简单组分相对简单低温精馏低温精馏新型生物乙烯：新型生物乙烯：生物乙醇生物乙醇催化催化脱水脱水乙烯：乙烯：98-99%乙醚乙醚:1%……99.9-99.99%关键技术关键技术4: 高效节能分离系统开发高效节能分离系统开发77谷风课件A 碱洗塔堵塞严重，碱洗塔堵塞严重，影响正常生产影响正常生产碱碱液液利利用用率率低低，，废碱排放量大。
废碱排放量大能量利用网络不能量利用网络不合理循环用水量和废水循环用水量和废水排放量大排放量大123 4川维厂年产川维厂年产川维厂年产川维厂年产60006000吨生物乙烯等温床工艺分吨生物乙烯等温床工艺分吨生物乙烯等温床工艺分吨生物乙烯等温床工艺分离系统存在的技术问题离系统存在的技术问题离系统存在的技术问题离系统存在的技术问题① ① 现有生物乙烯分离工艺节能减排研究现有生物乙烯分离工艺节能减排研究78谷风课件A 从机理上分析碱洗塔堵塔物质的形成从机理上分析碱洗塔堵塔物质的形成 在水洗塔分离工段中,由于180℃乙烯混合气的能量未能有效利用,导致水洗塔洗涤水温度过高,达到70℃左右,无法有效吸收乙醛等副产物,最终引起碱洗塔堵塔.从工艺角度分析堵塔的原因从工艺角度分析堵塔的原因 乙醇分子在催化剂碱性位点上发生脱氢反应,生成乙醛.而该物质在碱性条件下发生缩合反应,形成具有一定分子量的缩合物.最终引起碱洗塔堵塔,并影响工艺的正常生产堵塔物质堵塔物质(红色物质红色物质) －－ 乙醛缩合物乙醛缩合物碱洗塔堵塔机理分析碱洗塔堵塔机理分析79谷风课件A 通过能量利用网络的优化和高效换热器的应用，将通过能量利用网络的优化和高效换热器的应用，将180℃℃乙烯混合气冷却乙烯混合气冷却至至70~80℃℃,实现低位热能的高效利用实现低位热能的高效利用, 并通过水洗塔、碱洗塔工艺操作参并通过水洗塔、碱洗塔工艺操作参数的优化，达到生物乙烯后分离工艺的节能减排：数的优化，达到生物乙烯后分离工艺的节能减排：原料预热用蒸汽原料预热用蒸汽单耗降低单耗降低40.4%40.4%以上，以上，循环水循环水单耗降低单耗降低42%42%以上，以上，洗涤用碱洗涤用碱单耗降低单耗降低20%20%以上，以上，废水、废碱排放量废水、废碱排放量减少减少20%20%以上，彻底解决由于乙醛副以上，彻底解决由于乙醛副产物聚合引发的碱洗塔堵塞问题。
产物聚合引发的碱洗塔堵塞问题中石化科技开发项目中石化科技开发项目——VAEVAE装置乙烯工段节能减排及抗堵技术开发装置乙烯工段节能减排及抗堵技术开发热管热管-高效翅片管组合式换热器高效翅片管组合式换热器 能量利用网络优化能量利用网络优化 80谷风课件A 发酵工程发酵工程 化工分离化工分离 u分离产品分离产品乙醇纯度高，乙醇纯度高，浓度最高可达浓度最高可达400g/L；；u产物抑制消除，产物抑制消除，发酵过程中的乙醇浓度控制在发酵过程中的乙醇浓度控制在35g/L左右，酵母菌发酵时间长达左右，酵母菌发酵时间长达15天天；； u分离效率高，发酵过程中所产生的乙醇分离效率高，发酵过程中所产生的乙醇91%提提取出来取出来 ② ② 分离乙醇工艺研究分离乙醇工艺研究强化单元操作强化单元操作新型新型COCO2 2循环气提分离乙醇工艺循环气提分离乙醇工艺 优势优势: :81谷风课件A 脱水脱水催化催化发酵发酵 乙醇发酵乙醇发酵液液生物加工过程生物加工过程分离系统分离系统粗乙烯粗乙烯化工加工过程化工加工过程关键技术关键技术5 5：工艺耦合一体化设计：工艺耦合一体化设计成品乙烯成品乙烯高效蒸馏高效蒸馏合适浓度合适浓度乙醇乙醇蒸馏蒸馏燃料乙醇燃料乙醇精馏精馏82谷风课件A 耦合一体化工艺耦合一体化工艺乙醇提纯蒸馏塔出来的高温乙醇蒸汽，未经冷凝直接进入脱水反应工段，理论计乙醇提纯蒸馏塔出来的高温乙醇蒸汽，未经冷凝直接进入脱水反应工段，理论计算表明耦合工艺相对传统独立工艺可节能算表明耦合工艺相对传统独立工艺可节能20.14%20.14%。
一种乙醇脱水生产乙烯的工艺一种乙醇脱水生产乙烯的工艺——发明专利授权号：发明专利授权号：ZL200710133610.9.ZL200710133610.9.83谷风课件A 年产年产2万吨等温固定床生物乙烯工艺软件包开发万吨等温固定床生物乙烯工艺软件包开发乙醇冷凝水乙醇蒸发器气-气换热器 乙醇脱水反应器 230℃乙醇反应产物水洗塔粗乙烯气柜 精馏熔盐加热z采用自主开发的采用自主开发的改性改性HZSM-5分子筛催化剂分子筛催化剂，在，在250-300℃℃低温下反应，转化低温下反应，转化率和选择性都在率和选择性都在98％以上，单程寿命％以上，单程寿命>3个月，可个月，可重复再生重复再生z采用采用熔盐循环系统熔盐循环系统，，突破等温固定床工程放大技术难题突破等温固定床工程放大技术难题（（2 2万吨万吨/ /套）z环境友好，环境友好，不产生不产生COCO2 2，，不需要碱洗塔不需要碱洗塔z高选择性，对于环氧乙烷、高选择性，对于环氧乙烷、VAEVAE等下游衍生产品，等下游衍生产品，可以不需要精馏，直接与可以不需要精馏，直接与下游工段耦合，大幅度降低能耗下游工段耦合，大幅度降低能耗84谷风课件A 乙醇脱水反应工段工艺流程图（乙醇脱水反应工段工艺流程图（PID）） 85谷风课件A 精馏工艺流程图（精馏工艺流程图（PIDPID）） 86谷风课件A 安徽丰原集团联合中石化 联合中石化 通过了安徽省发改委组织的新技术鉴定通过了安徽省发改委组织的新技术鉴定技术水平：技术水平：5.55.5吨玉米秸杆吨玉米秸杆生产生产1 1吨燃料乙醇吨燃料乙醇生产成本与玉米为原料基本相当生产成本与玉米为原料基本相当半半 纤维素稀酸水解纤维素稀酸水解平均收率大于平均收率大于90%90%木糖发酵木糖醇平均收率大于木糖发酵木糖醇平均收率大于70%70%木糖醇提取收率平均木糖醇提取收率平均80%80%六碳糖发酵醪液中乙醇浓度六碳糖发酵醪液中乙醇浓度达达6.7%(V/V)6.7%(V/V)五碳糖发酵醪液中乙醇浓度达五碳糖发酵醪液中乙醇浓度达3.8%(V/V)3.8%(V/V)纤维素酶固态发酵周期纤维素酶固态发酵周期3 3天天发酵终点滤纸酶活力大于发酵终点滤纸酶活力大于150FPIU/150FPIU/克干曲克干曲纤维素酶解收率纤维素酶解收率大于大于80%80%针对现有生物乙烯装置针对现有生物乙烯装置存在的技术难题存在的技术难题研究研究 VAEVAE装置乙烯工段装置乙烯工段节能减排和抗堵问题节能减排和抗堵问题预期技术水平：年处理预期技术水平：年处理30003000吨吨玉米秸秆生产玉米秸秆生产550550～～600600吨纤维吨纤维乙醇（单位乙醇消耗原料控制乙醇（单位乙醇消耗原料控制在在5.25.2吨（干基））吨（干基））乙醇浓度乙醇浓度9595％％全糖（戊糖和己糖）利用率全糖（戊糖和己糖）利用率在在80%80%以上以上乙醇得率是理论得率的乙醇得率是理论得率的85%85%以上以上单位单位乙醇乙醇成本成本在在55005500元元/ /吨以下吨以下乙醇质量标准符合现有国家标准乙醇质量标准符合现有国家标准中国石化 本项目建设本项目建设1 1万吨万吨/ /年生物年生物乙烯装置与乙烯装置与1010万吨万吨VAEVAE相配套相配套VAEVAE产值达到产值达到9.69.6亿亿利润总额利润总额76547654万元万元 承德避暑山庄300300吨吨/ /年秸年秸秆秆乙醇乙醇中试中试装置装置 3000 3000吨吨/ /年秸年秸秆乙醇产业化秆乙醇产业化成套技术中试成套技术中试研究研究 万吨级万吨级生物基生物基乙烯产业化专乙烯产业化专项（示范）工项（示范）工程项目程项目 60006000吨吨/ /年生年生物乙烯工艺节物乙烯工艺节能减排能减排900m900m3 3浓浓醪发酵醪发酵技术技术每生产一吨酒精节每生产一吨酒精节水水4.354.35吨，节省蒸吨，节省蒸汽汽1.361.36吨，吨酒精吨，吨酒精生产成本下降生产成本下降136.65136.65元元；推广应；推广应用三年来累计经济用三年来累计经济效益达效益达1366.51366.5万元万元产业化进展产业化进展87谷风课件A 88谷风课件A 环氧乙烷可再生生物质资源乙二醇醋酸乙烯－乙烯共聚物 生物乙烯生物乙烯生物基材料生物基化学品乙醇乙醇聚乙烯…………生物质能源生物质能源生物乙烯下游衍生产品链分析生物乙烯下游衍生产品链分析89谷风课件A 富富富富 马马马马 酸酸酸酸 性性性性 质质质质富富富富 马马马马 酸酸酸酸 应应应应 用用用用（（2）生物基富马酸）生物基富马酸“TOP 12” Value-added Building Blocks —（（US “DOE”，， 2004））90谷风课件A 。