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1、走进生活的生物化学专题十二：生物质能源燃料乙醇.乙 醇（ethanol,ethyl alcohol）n具有特殊的香味和辣味n密度为0.789 g/cm3nm.p. 117.3C n b.p. 78.5 Cn能与水以任意比互溶HHHCCOHHH.乙醇分子中的羟基HHHCCHHOHn活泼氢的取代2C2H5OH + 2Na 2C2H5ONa + H2 .乙醇分子中的羟基HHHCCHHOHn脱氢氧化HHHCCHOCH3CH2OH + CuO CH3CHO + Cu + H2O乙醛C2H5OH + O2 CH3CHO + H2O12Cu.乙醇分子中的羟基HHHCCHHOHn羟基-OH与-H 的消去HHH
2、CCHCH3CH2OH CH2=CH2 + H2O 浓H2SO4170C.HHHCCHHOH乙醇分子中的羟基HHHCCHHOHn分子间脱水 2CH3CH2OH C2H5OC2H5 + H2O浓H2SO4140C乙醚.乙醇分子中的羟基HHHCCHHOHn羟基-OH的卤代HBrCH3CH2OH + HBr CH3CH2Br + H2O .乙醇的转化关系CH3CH2OHCH2=CH2CH3CH2BrCH3CH2ONaC2H5OC2H5CH3CHO.乙醇的工业合成n乙烯水化法小麦玉米番薯麦芽糖葡萄糖酒精淀粉酶麦芽糖酶酒化酶粮食发酵法CH2=CH2 + H2O CH3CH2OHcat.乙醇的用途n是一种
3、良好的有机溶剂n是一种重要的化工原料n是一种新型的绿色能源n可配制安全、高效的医用消毒剂n是酒类的重要成分之一.欧盟轻型汽车排放限值标准n到2005年轻型汽车的排放限值必须符合以下标准(欧洲4号)：(gkm)nCO=1.0以下；CH=0.1以下； NOx=0.08以下。.新世纪朝阳工业.燃料乙醇的生产过程.生产乙醇燃料的原料生产乙醇燃料的原料原料原料:陈粮陈粮农农、林业废弃物，各种含纤维素垃圾、林业废弃物，各种含纤维素垃圾能源植物能源植物Miscanthus（大禾草（大禾草）Switchgrass（柳枝稷（柳枝稷）甜高梁甜高梁木薯木薯效益效益:中国能源战略发展的需要中国能源战略发展的需要解决环
4、境污染，变废为宝解决环境污染，变废为宝增加农民收入，解决增加农民收入，解决“三农三农”问题问题.生产酒精的原料原料種類作物糖質原料甘蔗，甜高梁澱粉質原料小麥、玉米纖維質原料稻稈、舊報紙藻類綠藻、馬尾藻.Production capability for Ethanol is about 5.81 million ton in China. Fig: medium and large enterprise spatial distribution .Provinces for Ethanol production by use of Sorghum bicolor in China. Sorgh
5、um bicolor.Sorghum bicolor.酒精車使用概念植物行光合作用植物行光合作用酒精工廠酒精工廠分解及發酵分解及發酵二氧化碳二氧化碳酒精車使用概念.(glucosepolymer)(glucosepolymer)(glucosepolymer)(xylose/arabinosepolymer)(xylose/arabinosepolymer)(xylose/arabinosepolymer)生物质的主要成分生物质的主要成分木质素木质素纤维素纤维素半纤维素半纤维素.Feedstock原料原料Cellulose纤维素纤维素Hemi-cellulose半纤维素半纤维素Lignin木质
6、素木质素Other其他其他AgriculturalWaste农业废弃物38321713ForestryWaste林业废弃物5023225MunicipalWaste含纤维素垃圾4591036EnergyCrop能源作物45301510生物质的主要成分生物质的主要成分(%).CelluloseFiberHemicelluloseLigninPectinOtherpolysaccharides生物质原料的结构生物质原料的结构纤维素呈结晶状拧合成纤维束纤维素呈结晶状拧合成纤维束半纤维素和其他多聚糖缠绕着纤维束半纤维素和其他多聚糖缠绕着纤维束木质素像胶水一样覆盖和凝合着各种物质木质素像胶水一样覆盖和凝
7、合着各种物质水解酶或其他化学物质很难渗透到纤维素表面水解酶或其他化学物质很难渗透到纤维素表面纤维束纤维束半纤维素半纤维素木质素木质素果胶质果胶质其他多聚糖其他多聚糖 .秸杆或其他原料秸杆或其他原料组分分离预处理组分分离预处理酶制剂酶制剂生物降解生物降解乙醇分离乙醇分离Costly高消耗过程高消耗过程The Path from Cellulose to Ethanol 从秸杆到乙醇燃料从秸杆到乙醇燃料.Crystalline RegionAmorphous RegionCelluloseLigninHemicellulosePretreatment预处理的作用预处理的作用预处理纤维素木质素木质素
8、无定形区结晶区半纤维素半纤维素.$/galEtOH稀酸热水气爆气渗石灰预处理的效果和费用预处理的效果和费用处理效果依方法而异处理效果依方法而异耗能耗能(热水、气爆热水、气爆)，环境污染，环境污染(稀酸稀酸)，周期长，周期长(石灰石灰)成本高成本高. -glucoside -glucoside内切葡聚糖酶外切葡聚糖酶纤维二糖水解酶 纤维二糖酶纤维素葡聚糖纤维二糖葡萄糖纤维素水解纤维素水解纤维素水解由纤维素酶系完成纤维素水解由纤维素酶系完成纤维素酶系含至少三种酶，内切葡聚纤维素酶系含至少三种酶，内切葡聚糖酶，纤维二糖水解酶和纤维二糖酶糖酶，纤维二糖水解酶和纤维二糖酶此法成本很高，纤维素酶占总成本的
9、此法成本很高，纤维素酶占总成本的36-45%效率常低效率常低产物反馈抑制产物反馈抑制受预处理影响受预处理影响.燃料乙醇生产新构想燃料乙醇生产新构想基因工程酵母基因工程酵母木质素水解酶酵母木质素水解酶酵母半纤维素半纤维素酶酵母酶酵母纤维素酶纤维素酶酵母酵母酒精发酵酒精发酵酵母酵母燃料乙醇燃料乙醇植物原料植物原料原料粉原料粉半纤维素半纤维素纤维素纤维素有机酸有机酸纤维素纤维素单糖单糖有机酸有机酸乙醇混合物乙醇混合物单糖单糖有机酸有机酸.基因工程酵母技术的可行性基因工程酵母技术的可行性酵母适用于生产重组酶并分泌于细胞外酵母适用于生产重组酶并分泌于细胞外酵母已经用于乙醇生产，转化淀粉和葡萄糖为酵母已经
10、用于乙醇生产，转化淀粉和葡萄糖为乙醇乙醇能转化五碳糖的基因工程酵母已获成功能转化五碳糖的基因工程酵母已获成功(Nancy Ho at Purdue)，并用于生产，并用于生产(Iogen, Canada)纤维素酶在酵母里表达已有先例纤维素酶在酵母里表达已有先例(Kondo et al.).基因工程酵母技术的优势基因工程酵母技术的优势低成本低成本无须高消耗的预处理无须高消耗的预处理无须价格昂贵的纤维素酶无须价格昂贵的纤维素酶高效率高效率水解彻底水解彻底五、六炭糖全部利用五、六炭糖全部利用无环境污染无环境污染建厂投资和技术要求低，适合离秸杆源建厂投资和技术要求低，适合离秸杆源近的农村建厂，解决近的农
11、村建厂，解决三农三农问题问题.木质素水解酶酵母木质素水解酶酵母CHOOCH3OHHCHOOCH3OHHCHOOCH3OHH木质素过氧化物酶Lignin perioxidase锰过氧化物酶Manganese peroxidase乙二醛氧化酶Glyoxal oxidase漆酶 LaccaseCelluloseLigninHemi-cellulose纤维素木质素半纤维素半纤维素Cellulose纤维素Hemicellulose半纤维素半纤维素.半纤维素酶酵母半纤维素酶酵母CHOOCH3OHHCHOOCH3OHHCHOOCH3OHH内切木聚糖酶endoxylanase乙酰木聚糖酯酶Acetylxyla
12、n esterase木糖苷酶Xylosidase阿拉伯呋喃糖苷酶 ArabinofuranosidaseCelluloseHemi-cellulose纤维素半纤维素半纤维素Cellulose纤维素.纤维素酶酵母纤维素酶酵母CHOOCH3OHHCHOOCH3OHHCHOOCH3OHH外切葡聚糖酶Exoglucosidase内切葡聚糖酶Endoglucsidase纤维二糖水解酶Cellobiohydrolase纤维二糖酶CellobiaseCellulose纤维素CHOOCH3OHHCHOOCH3OHH.五碳糖代谢酵母五碳糖代谢酵母木糖还原 酶Xylose Reductase木糖醇脱氢酶Xylit
13、ol Dehydrogenase木酮糖激酶XylulokinaseCHOOCH3OHHCHOOCH3OHHH-C-C-OHH|H|H|H.基因工程酵母成功的要素基因工程酵母成功的要素基因源基因源从腐生微生物，白蚁从腐生微生物，白蚁、消化道微生物、消化道微生物基因或菌株组合基因或菌株组合酶的组成酶的组成酶的比例酶的比例重组基因重组基因优化起动子达到最佳表达调控优化起动子达到最佳表达调控产物到位产物到位酶性能优化酶性能优化.乙醇燃料电池日本东芝公司研制出甲醇燃料电池，可使笔记本电脑连续工作5小时。美国研制出乙醇燃料电池，效率高出其32倍。.我国从2001年开始推广“车用乙醇汽油”。. 酒精发酵罐酒
14、精发酵罐.1 1、罐型、罐型酒精发酵罐筒体为圆柱形，酒精发酵罐筒体为圆柱形，低盖和顶盖均为碟形或锥形。低盖和顶盖均为碟形或锥形。在酒精发酵过程中，为了回在酒精发酵过程中，为了回收二氧化碳气体及其所带出收二氧化碳气体及其所带出的部分酒精，发酵罐采用密的部分酒精，发酵罐采用密闭式顶有人孔，视镜及二氧闭式顶有人孔，视镜及二氧化碳回收管。化碳回收管。进料管接种管压力表和测量进料管接种管压力表和测量仪表接口管等。仪表接口管等。罐底装有排料口和排污口罐罐底装有排料口和排污口罐身上下装有取样口和温度计身上下装有取样口和温度计接中口对于型发酵罐。接中口对于型发酵罐。为了便于维修和清洗，在近为了便于维修和清洗，
15、在近罐底装有人孔。罐底装有人孔。 .2. 2. 发酵的冷却装置发酵的冷却装置中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外表面中小型发酵罐，多采用罐顶喷水淋于罐外表面进行膜状冷却；对于大型发酵罐，罐内装有冷进行膜状冷却；对于大型发酵罐，罐内装有冷却蛇管或却蛇管或罐外壁喷洒联合冷却。罐外壁喷洒联合冷却。 .3 3. 洗涤装置洗涤装置：水力喷射洗涤装置。：水力喷射洗涤装置。 . 二二. .酒精发酵罐的计算酒精发酵罐的计算（一）发酵罐结构尺寸（一）发酵罐结构尺寸 发酵罐全体积：发酵罐全体积： 式中式中V V发酵罐的代表容积发酵罐的代表容积 V V0 0进入发酵罐的发酵液量进入发酵罐的发酵液量 装液系数，一般取
16、装液系数，一般取=0.850.90=0.850.90 带有锥形底、盖的圆柱形带有锥形底、盖的圆柱形 发酵罐全容积为：发酵罐全容积为： .酒精发酵罐其罐体高度、底、盖高度和罐径的酒精发酵罐其罐体高度、底、盖高度和罐径的尺寸关系可推荐如下：尺寸关系可推荐如下： H =1.1 H =1.1 - - 1.5D 1.5D h h1 1=0.1 - 0.14D=0.1 - 0.14D h h1 1=0.05 - 0.1D=0.05 - 0.1D根据发酵的全容积根据发酵的全容积V V和径高比等，即可确定发和径高比等，即可确定发酵罐的结构尺寸。酵罐的结构尺寸。.( (二）发酵罐罐数的确定二）发酵罐罐数的确定对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：对于间歇发酵，发酵罐罐数可按下式计算：NN发酵罐个数（其中一个作备用）（个）发酵罐个数（其中一个作备用）（个） nn每每2424小时内进行加料的发酵罐数目（个）小时内进行加料的发酵罐数目（个） tt一次发酵罐周期所需要时间（小时一次发酵罐周期所需要时间（小时) ). （三）发酵罐冷却面积计算（三）发酵罐冷却面积计算 式中式中 Q Q总的发酵热总的发酵热（ J/h
