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1、2020高中化学竞赛化学工艺学（入门篇）9 生物技术生产大宗化学品一、概一、概 述述n生物技术：生物技术：依靠生物催化剂的作用将物料进行加工生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。产有用物质的一门多学科综合性的科学技术。n生物催化剂：生物催化剂：具有催化作用的生物质细胞或酶的总称，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。具有高效性、高选择性。生物质原料生物质原料n生物质：生物质：由光合作用产生的所有生物有机体的总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、海产物称，包括植物、农作物、林产物、海产物n生物质原料特点：生物
2、质原料特点：生物质的使用对环境无生物质的使用对环境无CO2净增长；净增长；生物质可被分解成多种结构的材料；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；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；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生物技术分类与应用n基因工程：基因工程：人工方法改组基因，培养新品种人工方法改组基因，培养新品种n细胞工程：细胞工程：细胞融合及由此衍生的单克隆抗体技术细胞融合及由此衍
3、生的单克隆抗体技术n酶工程：酶工程：生物化学的酶学原理与化工技术相结合的技生物化学的酶学原理与化工技术相结合的技 术，酶是存在于生物细胞中的特殊蛋白质。术，酶是存在于生物细胞中的特殊蛋白质。n微生物发酵工程：微生物发酵工程：菌种的选育、生产，代谢产物的发酵菌种的选育、生产，代谢产物的发酵 及微生物的利用及微生物的利用n生物化学工程：生物化学工程：采用化学工程的技术和方法，设计制造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反应器及其分离提纯设备生物技术生产化工产品的特点生物技术生产化工产品的特点n原料为可再生资源原料为可再生资源n生产过程温和，生产过程温和， 常温常压常温
4、常压n反应专一性，选择性高反应专一性，选择性高n设备同一性设备同一性n可进行高难度的化学反应可进行高难度的化学反应n三废污染少三废污染少应用应用二、发酵法生产乙醇二、发酵法生产乙醇n乙醇生产常用方法：乙醇生产常用方法：乙烯水合法、发酵法乙烯水合法、发酵法n乙醇发酵原料：乙醇发酵原料：淀粉质：甘薯、玉米淀粉质：甘薯、玉米糖质：废糖蜜、甜菜糖质：废糖蜜、甜菜纤维质：森林、木材工业下脚料、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、乳清等其它：亚硫酸纸浆废液，野生植物、乳清等n (C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6 淀粉淀粉水水葡萄糖葡萄糖酶酶n C6H12O6 2
5、CH3CH2OH + 2CO2 葡萄糖葡萄糖乙醇（酒精）乙醇（酒精） 二氧化碳二氧化碳酵母菌酵母菌1.淀粉质原料乙醇生产工艺淀粉质原料乙醇生产工艺2.糖质原料乙醇生产工艺糖质原料乙醇生产工艺3.纤维素原料生产乙醇工艺纤维素原料生产乙醇工艺3. 纤维素原料生产乙醇工艺纤维素原料生产乙醇工艺燃料（无水）乙醇的生产与应用燃料（无水）乙醇的生产与应用n指加入汽油或柴油中（指加入汽油或柴油中（1020%），并作为混合），并作为混合燃料使用的无水乙醇。燃料使用的无水乙醇。n传统发酵工艺（以谷物为原料）原料成本高，且传统发酵工艺（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。利用率低，能耗很大
6、，乙醇成本高。n大规模用于机动车燃料需降低成本。如基因工程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。改性；采用更为廉价的纤维素原料。三、生物柴油的生产三、生物柴油的生产n以植物、动物油脂等可再生生物资源生产的可用以植物、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。于压燃式发动机的清洁替代燃油。n化学成分：化学成分：长链脂肪酸甲酯长链脂肪酸甲酯， M300n植物油或动物脂肪与甲醇在催化剂作用下进行酯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交换反应制得生物柴油的生产方法生物柴油的生产方法n直接混合法：直接混合法：柴油中掺和柴油中掺和
7、20%的植物油作为发动机燃料的植物油作为发动机燃料 n微乳液法：微乳液法：将动植物油与溶剂混和制成微乳液，降低动植将动植物油与溶剂混和制成微乳液，降低动植 物油粘度物油粘度 n高温裂解法：高温裂解法：在热或在热或/和和cat下植物油降解，引起化学键断下植物油降解，引起化学键断 裂而产生小分子的过程裂而产生小分子的过程n酯交换法：酯交换法：用一种醇用一种醇(18 个个C)置换甘油三酯中的甘油。置换甘油三酯中的甘油。 酯交换法酯交换法甘油三酸酯甘油三酸酯 甲醇甲醇 脂肪酸甲酯脂肪酸甲酯 甘油甘油 酯交换反应使天然油脂（甘油三酸酯）的酯交换反应使天然油脂（甘油三酸酯）的M降至原降至原来的来的 1/3
8、，粘度降低，粘度降低 8 倍，所生产的生物柴油的粘度倍，所生产的生物柴油的粘度与柴油接近。与柴油接近。酯交换法酯交换法n均相催化（均相催化（碱催化、酸催化碱催化、酸催化）n非均相催化非均相催化n生物催化剂生物催化剂n超临界法超临界法碱催化碱催化n碱碱cat：NaOH、KOH、碳酸盐和烷基氧化物、碳酸盐和烷基氧化物(例例如甲醇钠、乙醇钠、异丙醇钠等如甲醇钠、乙醇钠、异丙醇钠等) n碱催化反应条件温和，常温常压，在较短反应时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，副产品皂化物和水分的
9、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。难以分离，甘油净化工艺复杂。 酸催化酸催化n酸酸cat:硫酸、磷酸、盐酸和有机磺酸硫酸、磷酸、盐酸和有机磺酸 n适于游离脂肪酸和水分含量高的油脂制备生物柴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，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。反应速度慢，反应设备需要不锈钢材料。n传统酸碱催化制备生物柴油的共同缺点传统酸碱催化制备生物柴油的共同缺点是工艺复是工艺复杂，能耗高，醇用量大，反应液色泽深、杂质多，杂，能耗高，醇用量大，反应液色泽深、杂质多，产品难提
10、纯，有废液排放、环境污染大。产品难提纯，有废液排放、环境污染大。 植物油甲酯化沉降下层蒸馏甲醇甘油上层蒸馏甲醇甲酯甲醇分离催化剂甘油皂化产品废水 生物柴油产品沉降下层甲醇 粗甲酯NaOH/甲醇植物油甲酯化蒸馏甲醇蒸馏甲醇剩余物 甲醇酸洗、水洗、沉降上层生物柴油清洁生产工艺流程图生物柴油清洁生产工艺流程图生物柴油常规生产工艺图生物柴油常规生产工艺图生物催化剂生物催化剂n三甘油酯和部分甘油酯在酶作用下首先水解，分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。甲醇反应生成甲酯，这与碱催化
11、不同。n在酶催化反应过程中，植物油中含有的游离脂肪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。酸可全部转化成甲酯。n酶较贵，如果采用固定化脂肪酶，酶可多次循环酶较贵，如果采用固定化脂肪酶，酶可多次循环使用使用, 则可降低成本。则可降低成本。 超临界法超临界法n甲醇处于超临界状态，可在无甲醇处于超临界状态，可在无cat条件下，短时间条件下，短时间内获得极高转化率。内获得极高转化率。n通过分相可使生物柴油与甘油分开通过分相可使生物柴油与甘油分开n与碱催化相比，此法对原料要求低，反应时间短，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。工艺简单，成本有优势。生物
12、柴油制生物柴油制备方法比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0.58 h120240s6072h25h反应条件常压、常温658.09Mpa,240常压、常温65催化剂酸或碱无脂肪酶固体碱游离脂肪酸皂化产品脂肪酸甲酯脂肪酸甲酯皂化产品除去物甲醇、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复杂简单简单催化剂制备困难设备常规高温高压常规常规四、乳酸的生物合成与聚乳酸四、乳酸的生物合成与聚乳酸 1. 概述概述n乳酸（乳酸（-羟基丙酸）羟基丙酸）CH3CH(OH)COOH，L-乳酸乳酸和和D-乳酸，旋光性乳酸，旋光性n聚乳酸能
13、生物降解，是功能纤维和热塑性材料。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然界和生物体中都最终转化为CO2和水。和水。2.乳酸发酵机理乳酸发酵机理n菌种：菌种：细菌和根霉细菌和根霉n乳酸细菌发酵乳酸细菌发酵分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵分为同型乳酸发酵、异型乳酸发酵n乳酸细菌不能直接发酵淀粉质原料，必须经过糖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。化过程，转变为糖质原料才能发酵。乳酸细菌发酵乳酸细菌发酵n同型乳酸发酵同型乳酸发酵 葡萄糖经葡萄糖经EM
14、P糖酵解途径降解为丙酮酸，丙酮酸在乳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。酸脱氢酶的催化下还原为乳酸。n异型乳酸发酵异型乳酸发酵 C6H12O6 +ADP+PiCH3CHOHCOOH+CH3CH2OH+CO2+ATP 乙酰磷酸乙酰磷酸乙醇乙醇葡萄糖葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 CO2 磷酸酮解酶磷酸酮解酶 乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸米根霉发酵米根霉发酵n米根霉能产生淀粉酶和糖化酶米根霉能产生淀粉酶和糖化酶3.乳酸发酵工艺乳酸发酵工艺谷类发酵生产乳酸谷类发酵生产乳酸4.聚乳酸（聚乳酸（PLA）的生产）的生产n单体：单体：乳酸和它的环状二聚体丙交酯（乳酸和它的环状二聚体丙交酯（LA）n乳酸直接缩聚：乳酸直接缩聚：工艺简单，工艺简单，M低，分布较宽低，分布较宽n丙交酯的开环聚合：丙交酯的开环聚合：阴、阳、配位开环聚合，阳、阴、阳、配位开环聚合，阳、配位开环聚合所得配位开环聚合所得M高，转化率高高，转化率高谢谢观看！
