再生能源與可持續(xù)能源理論

1、再生能源與可持續(xù)能源理論無水乙醇：能源中的一種可再生資源關鍵詞：無水乙醇，共沸混合物，生物質燃料，共沸蒸餾，萃取蒸餾，擴散蒸餾 概要無水乙醇是一種已被量產的生物質能源而且也是可再生能源的一個子。它被認為 是一種極好的可以替代汽油的清潔燃料。無水乙醇在商業(yè)上用催化水合乙烯或者 生物質的發(fā)酵生產。任何生物材料都含有糖，淀粉或纖維素可以被用于作為生物 質來生產無水乙醇。由于89.4 mol%乙醇和10.6 mol% 水組成乙醇水溶液可以 形成一種最低沸點的共沸混合物在78.2C和標準大氣壓下，在乙醇水溶液由于 生產發(fā)酵過程被稀釋時可以不斷糾正使達到最好的條件包括在89.4 mol%乙醇 和標準大氣壓

2、下。因此，用特殊工藝除去剩下的水是制造無水乙醇所必須的需。 各種生產無水乙醇的工藝已經被應用了。這些包括：（i）化學脫水工藝，（ii）通過真 空脫水蒸餾的工藝，（iii）共沸蒸餾工藝，（iv）萃取蒸餾工藝，（v）膜分離工藝，（vi） 吸附工藝和（vii）擴散蒸餾工藝。這些生產無水乙醇的工藝已經被不斷改進由于對產 品數(shù)量和質量越來越嚴格的要求。文獻對這些可用的工藝進行了評價。這些工藝 也都比較遵循能源需求的原則。目錄介紹無水乙醇無水乙醇的材料糖的來源淀粉的來源1.2.3 .纖維素的來源1.3 .無水乙醇的應用無水乙醇和汽油的性質比較無水乙醇的需求及供應生產無水乙醇的工藝化學脫水工藝通過真空脫水蒸

3、餾的工藝共沸蒸餾工藝萃取蒸餾工藝萃取精餾液態(tài)溶劑萃取精餾可溶性鹽萃取精餾用鹽溶解在液態(tài)溶劑中膜分離工藝吸附工藝擴散蒸餾工藝其他工藝能源中對無水乙醇產品的需求總結參考1.介紹許多國家在這方面努力著包括印度在研究碳氫化合物燃料的替代品，比如汽油 （石油），柴油，等等。對可替代汽油和柴油燃料的需求主要考慮的角度是保護 全球環(huán)境和對長期供應的傳統(tǒng)的以碳氫化合物為基礎汽油和柴油燃料的擔心。在 各種選擇中，生物燃料已經成為一種混合汽油和柴油燃料組成。無水乙醇作為一 種目前被量產生物燃料。其它生物質燃料包括生物柴油和沼氣。生物燃料是一種 術語用于描述生物質原料加工到一個更方便的形式的燃料。這是運輸工具中最常

4、 用的液體燃料但是也涉及氣態(tài)燃料和固態(tài)燃料像木質顆粒和煤球。生物質燃料的 應用在環(huán)境，能源安全和經濟發(fā)展領域有好處。生物質燃料的利用替代了化石燃 料并且減少了與全球氣候變化相關的二氧化碳的排放量。生物燃料是可再生植物 產生的這樣可以使二氧化碳循環(huán)利用當生物質燃料消耗時。生物燃料在汽車引擎 中燃燒比較徹底而且可以減少多余物質的產生，特別是沒有完全燃燒的烴類化合 物和一氧化碳。這些特征有助于改善當?shù)氐目諝赓|量。生物燃料可以為國家提供 可利用的安全能源。生物燃料可以用當?shù)氐暮驼麄€地區(qū)的生物資源來生產并且因 此他們是相對獨立于變化不定得國際政治局勢的。國內生物燃料的生產也要國家 的保護通過減少凈進口的

5、石油和幫助減少國際貿易失衡往往和石油進口有關。生 物燃料生物燃料為本地和地區(qū)創(chuàng)造發(fā)展機會；這樣的事總發(fā)生在農村地區(qū)其他地 區(qū)非常有限。生物燃料在與現(xiàn)代車輛的相容性中提供了一個可以取代石油燃料為 運輸工具的可能性。當前機動車使用技術允許消費者使用一系列生物混合燃料。 如今大多數(shù)新型機動車可以很好的適應混合大約20%的生物燃料和靈活燃料或 專用高濃度混合或整潔的生物燃料也都可用于商業(yè)化了。因此消費者有各種各 樣的車輛可選擇來使用生物燃料，這將變得很容易。生物燃料依賴生物技術且是再生能源的一個子集。不像其他可再生能源形式，生 物燃料是可以加入到生產的化學物質，根據(jù)類別稱為白色生物技術，如圖L；圖.1

6、生物燃料：再生能源的一個子集1.1無水乙醇無水乙醇，也稱為絕對乙醇，是一種澄清，無色和均勻液體是易流動的物質且 在15.6C時包含至少99.5%得乙醇體積。15.6C時，最大水容量，體積百分比， 由Karl-Fisher法測定為0.5。最大比重為0.7961。表1表明了印度汽車燃料中 對無水乙醇的需求。印度的標準IS： 15464-2004特別制作了變形劑禁用的一覽 表，這個聲明對燃料的穩(wěn)定，汽車引擎和燃料系統(tǒng)有非常不利的影響。這些材料 在大多情況下也許不會用作汽車燃料就。它們是；甲醇，毗咯類，松節(jié)油，酮類 和焦油（化石和非化石植物質的高分子重解產物）。1.2無水乙醇的材料酒精是由生物質發(fā)酵產

7、生的。能源消費可能會在未來幾年明顯增加，主要在人 口密集區(qū)像印度，中國的南非。為了保證人口稠密區(qū)能夠獲得相似于工業(yè)國家的 生活標準，全球有效的資源都必須被利用。為了減少二氧化碳向大氣的排放量和 滿足增長的能源需求，乙醇從飼料基于整個植物界和生物量中生產出來。乙醇可 以用多種生物材料制備，有糖，淀粉或纖維素。以下是參與到生物質轉換成無水 乙醇的各個步驟：轉換成一個可用的生物質發(fā)酵原料（代表是各種形式的糖）。發(fā)酵的生物量的中間體使用生物催化劑（微型生物包括酵母和細菌）來制造 乙醇。處理發(fā)酵產品得到無水乙醇。Table 1印度規(guī)范的無水乙醇用于汽車燃料（IS:15464-2004） 8.1.相對密度

8、0 15.6/15.68C,最大0.79612.乙醇含量 15.6 8C, vol.%,最?。ǔ冃蝿?9.53.水混和性混溶4.堿性無5.乙酸含量，mg/L, 最大.306.蒸發(fā)殘余，wt.%,最大.0.0057.乙醛含量，mg/L, 最大.608.銅，mg/kg,最大.0.19.導電性，mS/m, 最大.30010.甲醇，mg/L,最大.30011.外觀澄清明亮特性要求1.2.1糖的來源乙醇可以由大量的碳水化合物制?。ǘ嗵牵?。最常見制取乙醇的多糖是蔗糖來自 甘蔗，甜菜和甜高粱。提取的甘蔗果汁含有水（84%）和糖（14%）。蔗糖的發(fā)酵采用 商業(yè)酵母如酒化酵母?；瘜W反應是酶水解蔗糖發(fā)酵形成單

9、糖。首先，轉化酶（一 種存在于酵母的酶）催化水解蔗糖使轉變成葡萄糖和果糖。C H O （蔗糖）+ H O + C H 0（果糖）+ C H。（葡萄糖）（1）1222 112612 6612 6然后，另一種酶（酒化酶），也是一種酵母，使葡萄糖轉換成乙醇和二氧化碳。C6H12O6+H2O-（酵母）-CH3COCOOH（丙酮酸）-C2H5OH（酒精）單糖（甘油醛，木糖，核糖，葡萄糖，果糖）包括單一糖和包含（CH2O）n通式 的，n=3-7。自然界中最常見的單糖是戊糖（n=5木糖）和己糖（n=6葡萄糖）。 一分子的二塘經化學反應（脫水合成）可以形成新的結合體，可被加工成兩個單 糖脫水處理后。多糖已經分

10、解成二糖或單糖通過水解發(fā)酵。1.2.2淀粉的來源谷粒（玉米，水稻或大麥）主要提供淀粉。例如，玉米包含60-70%的淀粉。淀粉儲存在谷物長鏈的a -葡萄糖單體中，1000或更長單體支鏈淀粉中。聚合物 的a -葡萄糖分解成葡萄糖通過葡萄糖淀粉酶水解反應。葡萄糖-淀粉酶（C6H10O5）n （淀粉）+nH2OnC6H12O6（D 一葡萄糖）產生的葡萄糖和D-葡萄糖是一種葡萄糖同分異構體。隨后的酶進行水解，發(fā)酵、 蒸餾和脫水生產無水乙醇。1.2.3 .纖維素的來源植物包含的纖維質材料有纖維素和半纖維素。這些復雜的高分子組成了植物的 莖，葉，軀干，枝干和外殼。也有許多產品用這些材料生產的，比如，紙。纖維

11、 質材料中的纖維素與半纖維素里貯存著糖，但是他們在物理化學上比糖和淀粉更 難轉變成儲存材料。纖維素間的鍵斷裂形成組成它的糖。半纖維素間的鍵更容易 斷裂，但由此產生的糖很難發(fā)酵但由此產生的糖很難發(fā)酵。植物的復合木質素也 抵抗生物化學的轉變。顯著發(fā)展導致生化轉換過程分解纖維素和半纖維素和熱化 學轉化過程分解木質素。同時，這些工藝可以為乙醇產品開啟潛在的儲存纖維素 材料的物質。木質纖維素，主要成分是植物的細胞壁，主要包含纖維素（40 - 60%的總十重 量），半纖維素（20-40%）和木質素（10-25%）。p -葡萄糖單元集合組成纖維素 束后構成了纖維素長鏈結構。半纖維素根據(jù)植物種類可能是木聚素或

12、木葡聚糖構 成的。主十鏈由P -葡萄糖單元構成，有部分木糖（5-c糖）也附呈上面。后者主要由 木糖和樹膠醛糖或其它有不同于另一種生物量的資源構成的。半纖維素分子和微 原纖維以氫鍵相連接。木質素是酚類化合物是有三種不同單元聚合而成（香豆醇， 松柏醇和synapyl醇）。木質素增加了細胞壁的壓力和硬度。纖維素經酶的水解 作用轉變成單糖（單酶糖），用以下的工藝進行生產：稀酸的水解-水解作用在硫酸溶液（0.5 - -1%）且溫度大約160 - 190 。時反 應大約10分鐘存在兩個階段能夠使半纖維素和纖維素的生物質最大化糖產量。 液體粉在每個階段來中和和發(fā)酵成乙醇。稀酸水解可以用來從甘蔗蔗渣提取糖。濃

13、酸水解-這個過程是基于濃酸去晶體纖維素其次是稀酸水解為糖類。正努力 使把稻草轉化為乙醇和含木質纖維素的成分固體廢物轉化成乙醇商業(yè)化。酶的水解作用-酶法水解纖維素是通過使用多種纖維素酶，它們通常是混合酶 群比如，纖維素內切酶，外切葡聚糖酶和6 葡糖甘酶在協(xié)同作用下攻擊品體結 構的纖維素，從自由鏈結束中去除纖維二糖和水解纖維二糖產生葡萄糖。纖維素 酶由菌類，主要是里氏木霉，除了曲霉，Schisophyllum和青霉菌。為了減少纖 維素酶的花費，同步糖化發(fā)酵（S SF）工藝使纖維素轉變成乙醇已經被引進了。 在同步糖化發(fā)酵工藝中，纖維素,酶和發(fā)酵微生物結合，減少了容器數(shù)量和提高效纖維素儲存材料適合乙醇生產的包括以下：農業(yè)殘留物農作物下腳料如小麥秸稈和玉米莖葉和外殼。林業(yè)伐木殘留物和工廠殘留物如木屑，鋸末和紙制漿酒。-Grasses- Hardy，速生草本比如軟植草專用于乙醇生產。市政和其他廢棄物一一植物廢物如家庭垃圾、紙產品，紙漿和食品加工廢料。速生木本植物如楊樹和柳樹專門用于乙醇生產。這些儲存材料比淀粉的和糖的儲存材料有許多