纖維素水解制燃料乙醇技術(shù)課件

1、纖維素水解制取燃料乙醇技術(shù)研究PPT模板下載： 行業(yè)PPT模板： 節(jié)日PPT模板： PPT素材下載： PPT圖表下載： 優(yōu)秀PPT下載： PPT教程： Word教程： Excel教程： 資料下載： PPT課件下載： 范文下載： 試卷下載： 教案下載： l 嚴(yán)永亮l 材料工程學(xué)院l 林業(yè)工程PPT模板下載： 行業(yè)PPT模板： 節(jié)日PPT模板： PPT素材下載： PPT圖表下載： 優(yōu)秀PPT下載： PPT教程： Word教程： Excel教程： 資料下載： PPT課件下載： 范文下載： 試卷下載： 教案下載： 纖維素制乙醇在19世紀(jì)即已提出，方法是把纖維素水解為單糖，再把單糖發(fā)酵成乙醇。但該工藝雖

2、然原料價(jià)格便宜，生產(chǎn)成本卻很高，隨著以石油為原料的合成乙醇大量生產(chǎn)，這類工廠大都關(guān)閉。在20世紀(jì)石油危機(jī)后，西方國(guó)家又開(kāi)始重視纖維素制乙醇的技術(shù)。木質(zhì)纖維素類原料被公認(rèn)為來(lái)源最為廣泛的燃料乙醇生產(chǎn)原料，包括農(nóng)作物秸稈、殼皮、樹(shù)枝、落葉、林業(yè)邊角余料、城市垃圾等。天然木質(zhì)纖維素類原料含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，三者相互纏繞的包裹在一起。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年產(chǎn)生大量的生物質(zhì)廢棄物，這些資源至今未被充分利用，而且還常因就地焚燒而污染環(huán)境；另一方面我國(guó)的石油資源有限，對(duì)油類產(chǎn)品的需求量卻在不斷的增加。顯然，在我國(guó)發(fā)展生物質(zhì)制取燃料乙醇技術(shù)具有重要的意義。1.纖維素類原料水解機(jī)理纖維素是300-150

3、0個(gè)葡萄糖以-1,4糖苷鍵結(jié)合起來(lái)的鏈狀高分子化合物，經(jīng)過(guò)水解又可生產(chǎn)葡萄糖，水解式：纖維素的性質(zhì)很穩(wěn)定，只有在催化劑存在下才能顯著地水解。常用的催化劑是無(wú)機(jī)酸和纖維素酶，由此分別形成了酸水解（濃酸水解工藝和稀酸水解工藝）和酶水解工藝。酸水解法雖然比較古老，但也比較成熟；酶水解法則是近代才發(fā)展起來(lái)的2.酸水解2.1濃酸水解2.1.1 濃酸水解原理濃酸水解在19世紀(jì)即已提出，它的原理是結(jié)晶纖維素在較低溫度下可完全溶解在硫酸中，轉(zhuǎn)化成含幾個(gè)葡萄糖單元的低聚糖。把此溶液加水稀釋并加熱，經(jīng)一定時(shí)間后就可把低聚糖水解為葡萄糖。濃酸水解的優(yōu)點(diǎn)是糖的回收率高（可達(dá)90以上），可以處理不同的原料，相對(duì)迅速（總

4、共1012 h），并極少降解。但對(duì)設(shè)備要求高，而且酸必須回收。2.1.2 濃酸水解工藝濃酸水解工藝的代表是Arkenol公司，該流程中對(duì)生物質(zhì)原料采用兩級(jí)濃酸水解工藝，水解中得到的酸糖混合液經(jīng)離子排斥法（或所謂的色譜分離）分為凈化糖液和酸液。糖液中還含少量酸，可用石灰中和，生成的石膏在沉淀槽和離心機(jī)里分離。色譜分離中得到的稀硫酸經(jīng)過(guò)脫水濃縮后可回到水解工段中再利用。下圖為Arkenol公司的濃酸水解流程。根據(jù)中試裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該水解工藝可得1215濃度的糖液，纖維素的轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定在70%。酸回收率也可達(dá)到97%。Arkenol公司的濃酸水解流程2.2稀酸水解2.2.1稀酸水解原理在纖維素的稀酸

5、水解中，溶液中的氫離子可和纖維素上的氧原子相結(jié)合，使其變得不穩(wěn)定，容易和水反應(yīng)，纖維素長(zhǎng)鏈在該處斷裂，同時(shí)又放出氫離子，從而實(shí)現(xiàn)纖維素長(zhǎng)鏈的連續(xù)解聚，直到分解成為最小的單元葡萄糖。所得葡萄糖還會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)，生成不希望的副產(chǎn)品。2.2.2 稀酸水解工藝稀酸水解常分兩步進(jìn)行：第一步用較低溫度分解半纖維素，產(chǎn)物以五碳糖為主；第二步用較高溫度分解纖維素，產(chǎn)物主要是葡萄糖。稀酸工藝的代表是美國(guó)的Celunol公司（原名BC International），采用2級(jí)稀硫酸水解工藝，如圖所示。所用原料為甘蔗渣，單糖發(fā)酵的核心技術(shù)是轉(zhuǎn)基因的大腸桿菌，由佛羅里達(dá)大學(xué)開(kāi)發(fā)。2級(jí)稀硫酸水解工藝華東理工大學(xué)在“十五”期

6、間在上海奉賢建成以木質(zhì)纖維素為原料，年產(chǎn)非糧燃料乙醇600 t的示范工廠。該廠也采用二級(jí)稀酸水解工藝。但是木糖和葡萄糖是同時(shí)發(fā)酵的，該工藝中木糖的發(fā)酵率還不是太滿意。Verenium公司于2008年5月在美國(guó)路易斯安那州的Jennings建造了一個(gè)生物質(zhì)酒精的示范工廠（如圖2.3），以甘蔗渣和樹(shù)木為原料，采用2級(jí)稀酸水解工藝，可年產(chǎn)酒精140萬(wàn)加侖。以此中試工廠為基礎(chǔ)，Verenium公司準(zhǔn)備建造生產(chǎn)能力為年產(chǎn)酒精30006000萬(wàn)加侖規(guī)模的工廠。美國(guó)能源部于2008年7月給該公司2億4千萬(wàn)的聯(lián)邦計(jì)劃資助，令其在美國(guó)境內(nèi)建造9個(gè)小規(guī)模的生物煉制工廠。由于稀酸水解工藝中酸濃度低，所以酸不回收使用

7、。相對(duì)濃酸水解來(lái)說(shuō)，稀酸水解研究者較多。 生物質(zhì)酒精的示范工廠2.2.3 稀酸水解反應(yīng)器稀酸水解反應(yīng)器在高溫下工作，其中與酸接觸的部件需用特殊材料制作，普通不銹鋼不能適用。鈦、鋯及耐蝕鎳基合金（海氏合金）雖然能用，但價(jià)格太高，只宜用在必要的部件上。對(duì)反應(yīng)器的主體部分用耐酸磚襯可能是較好的解決方法。稀酸水解所用反應(yīng)器分半連續(xù)式和連續(xù)式2種。傳統(tǒng)的酸水解流程采用半連續(xù)滲濾式，固體生物質(zhì)原料裝填在反應(yīng)器中，酸液連續(xù)流過(guò)。前蘇聯(lián)的水解工藝主要采用這種形式。由于半纖維素水解容易，故滲濾水解常分兩級(jí)進(jìn)行。第一級(jí)用較低溫度分解半纖維素，產(chǎn)物以五碳糖為主。第二級(jí)用較高的溫度分解纖維素，產(chǎn)物主要是葡萄糖。為得到

8、高濃度的糖液，可把2個(gè)滲濾反應(yīng)器串聯(lián)操作。該工藝只需多用幾個(gè)反應(yīng)器，就可使水解操作連續(xù)進(jìn)行。通過(guò)這種流程安排，不但可顯著降低酸和蒸汽的消耗，糖濃度也可顯著提高，這對(duì)降低后續(xù)工段成本很有意義。在此過(guò)程中糖的分解量有所增加，但因第一級(jí)水解溫度較低，故糖得率下降并不太多。目前發(fā)達(dá)國(guó)家新開(kāi)發(fā)的稀酸水解工藝都屬于連續(xù)式水解，在這類工藝中，固體原料和酸都連續(xù)流過(guò)反應(yīng)器。3.酶水解酶水解是利用微生物產(chǎn)生的纖維素酶降解纖維素的生化反應(yīng)。纖維素酶屬于高度專一的纖維素水解生物催化劑，是降解纖維素原料生成葡萄糖的一組酶的總稱，它不是單種酶，而是起協(xié)同作用的多組分酶系。其優(yōu)點(diǎn)是，反應(yīng)在常溫下驚醒，微生物的培養(yǎng)與維持僅

9、需較少的原料。自1906年Seilliere發(fā)現(xiàn)纖維素酶以來(lái)，人們對(duì)纖維素酶的組成、結(jié)構(gòu)和水解作用機(jī)制已做過(guò)大量研究，其中以纖維素轉(zhuǎn)化成葡萄糖作為主要目標(biāo)。酶水解是用由微生物產(chǎn)生的能把纖維素降解成葡萄糖的纖維素酶來(lái)進(jìn)行的。酶水解的特點(diǎn)是具有選擇性，降解產(chǎn)物少，葡萄糖得率高，反應(yīng)溫度低于酸水解，能耗較低，不需使用大量的酸，因而避免了對(duì)酸進(jìn)行中和處理和回收的步驟，不要求反應(yīng)器具有高耐腐蝕性，被視為最有潛力降低從木質(zhì)生物資源制取乙醇成本的突破口。4.發(fā)展前景隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械化程度的提高，燃料能源短缺現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。開(kāi)發(fā)石化能源的替代品已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。纖維素乙醇是一種清潔且資源豐富的可再生能源，其具有廣闊的發(fā)展前景，將成為未來(lái)最重要的可再生能源之一。但整體上，由于在纖維素酶生產(chǎn)技術(shù)、戊糖己糖發(fā)酵菌株構(gòu)建等方面還沒(méi)有取得根本性的突破，所以距離纖維素乙醇的產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。由于酶水解具有條件溫和、糖收率高等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。但由于酶水解需要時(shí)間太長(zhǎng)，因此酸酶聯(lián)合水解工藝