生物技術(shù)生產(chǎn)大宗化學(xué)品

9生物技術(shù)生產(chǎn)大宗化學(xué)品一、概述生物技術(shù)：依靠生物催化劑的作用將物料進(jìn)行加工生產(chǎn)有用物質(zhì)的一門多學(xué)科綜合性的科學(xué)技術(shù)。生物催化劑：具有催化作用的生物質(zhì)細(xì)胞或酶的總稱，具有高效性、高選擇性。生物質(zhì)原料生物質(zhì)：由光合作用產(chǎn)生的所有生物有機(jī)體的總稱，包括植物、農(nóng)作物、林產(chǎn)物、海產(chǎn)物…生物質(zhì)原料特點(diǎn)：生物質(zhì)的使用對(duì)環(huán)境無(wú)CO2凈增長(zhǎng)；生物質(zhì)可被分解成多種結(jié)構(gòu)的材料；由生物質(zhì)得到的原料含有一定量的氧，減少加氧過(guò)程；采用生物質(zhì)作原料，減少對(duì)石油等不可再生資源的依賴；生物質(zhì)的生長(zhǎng)需大量土地與空間，有季節(jié)性。生物技術(shù)分類與應(yīng)用基因工程：人工方法改組基因，培養(yǎng)新品種細(xì)胞工程：細(xì)胞融合及由此衍生的單克隆抗體技術(shù)酶工程：生物化學(xué)的酶學(xué)原理與化工技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，酶是存在于生物細(xì)胞中的特殊蛋白質(zhì)。微生物發(fā)酵工程：菌種的選育、生產(chǎn)，代謝產(chǎn)物的發(fā)酵及微生物的利用生物化學(xué)工程：采用化學(xué)工程的技術(shù)和方法，設(shè)計(jì)制造生物反應(yīng)器及其分離提純?cè)O(shè)備生物技術(shù)生產(chǎn)化工產(chǎn)品的特點(diǎn)原料為可再生資源生產(chǎn)過(guò)程溫和，常溫常壓反應(yīng)專一性，選擇性高設(shè)備同一性可進(jìn)行高難度的化學(xué)反應(yīng)三廢污染少應(yīng)用麩皮、玉米芯、棉籽皮、花生殼、甘蔗渣等農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物和農(nóng)業(yè)廢物中古有纖維素和半纖維素。纖維素是多縮己糖、半纖維素則由多縮己糖、多縮戊糖等組成。多縮己糖水解得己糖，經(jīng)發(fā)酵可制得乙醇。多縮戊糖不能用酶發(fā)酵，但可用酸加熱水解為戊糖，戊粳在酸性介質(zhì)中加熱易脫水而轉(zhuǎn)化為糠醛。二、發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇乙醇生產(chǎn)常用方法：乙烯水合法、發(fā)酵法乙醇發(fā)酵原料：淀粉質(zhì)：甘薯、玉米糖質(zhì)：廢糖蜜、甜菜纖維質(zhì)：森林、木材工業(yè)下腳料、其它：亞硫酸紙漿廢液，野生植物、乳清等(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O6

淀粉水葡萄糖酶C6H12O62CH3CH2OH+2CO2↑葡萄糖乙醇（酒精）二氧化碳酵母菌1.淀粉質(zhì)原料乙醇生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝流程：1、原料的預(yù)處理。2、原料的水-熱處理。3、糖化過(guò)程4、乙醇的發(fā)酵2.糖質(zhì)原料乙醇生產(chǎn)工藝3.纖維素原料生產(chǎn)乙醇工藝3.纖維素原料生產(chǎn)乙醇工藝燃料（無(wú)水）乙醇的生產(chǎn)與應(yīng)用指加入汽油或柴油中（10~20%），并作為混合燃料使用的無(wú)水乙醇。傳統(tǒng)發(fā)酵工藝（以谷物為原料）原料成本高，且利用率低，能耗很大，乙醇成本高。大規(guī)模用于機(jī)動(dòng)車燃料需降低成本。如基因工程改性；采用更為廉價(jià)的纖維素原料。三、生物柴油的生產(chǎn)以植物、動(dòng)物油脂等可再生生物資源生產(chǎn)的可用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的清潔替代燃油?；瘜W(xué)成分：長(zhǎng)鏈脂肪酸甲酯，M≈300植物油或動(dòng)物脂肪與甲醇在催化劑作用下進(jìn)行酯交換反應(yīng)制得生物柴油的生產(chǎn)方法直接混合法：柴油中摻和20%的植物油作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料

微乳液法：將動(dòng)植物油與溶劑混和制成微乳液，降低動(dòng)植物油粘度

高溫裂解法：在熱或/和cat下植物油降解，引起化學(xué)鍵斷裂而產(chǎn)生小分子的過(guò)程酯交換法：用一種醇(1～8個(gè)C)置換甘油三酯中的甘油。

酯交換法甘油三酸酯甲醇脂肪酸甲酯甘油

酯交換反應(yīng)使天然油脂（甘油三酸酯）的M降至原來(lái)的1/3，粘度降低8倍，所生產(chǎn)的生物柴油的粘度與柴油接近。酯交換法均相催化（堿催化、酸催化）非均相催化生物催化劑超臨界法堿催化堿cat：NaOH、KOH、碳酸鹽和烷基氧化物(例如甲醇鈉、乙醇鈉、異丙醇鈉等)堿催化反應(yīng)條件溫和，常溫常壓，在較短反應(yīng)時(shí)間內(nèi)可得到較高的轉(zhuǎn)化率，但原料油游離脂肪酸和水分的含量對(duì)反應(yīng)有明顯影響，副產(chǎn)品皂化物難以分離，甘油凈化工藝復(fù)雜。

酸催化酸cat:硫酸、磷酸、鹽酸和有機(jī)磺酸適于游離脂肪酸和水分含量高的油脂制備生物柴油，產(chǎn)率高，但反應(yīng)溫度和壓力高，甲醇用量大，反應(yīng)速度慢，反應(yīng)設(shè)備需要不銹鋼材料。傳統(tǒng)酸堿催化制備生物柴油的共同缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，能耗高，醇用量大，反應(yīng)液色澤深、雜質(zhì)多，產(chǎn)品難提純，有廢液排放、環(huán)境污染大。

植物油甲酯化沉降下層蒸餾甲醇甘油上層蒸餾甲醇甲酯甲醇分離催化劑甘油皂化產(chǎn)品廢水生物柴油產(chǎn)品沉降下層甲醇粗甲酯NaOH/甲醇植物油甲酯化蒸餾甲醇蒸餾甲醇剩余物甲醇酸洗、水洗、沉降上層生物柴油清潔生產(chǎn)工藝流程圖生物柴油常規(guī)生產(chǎn)工藝圖生物催化劑三甘油酯和部分甘油酯在酶作用下首先水解，分別生成部分甘油酯和游離脂肪酸，游離脂肪酸和甲醇反應(yīng)生成甲酯，這與堿催化不同。在酶催化反應(yīng)過(guò)程中，植物油中含有的游離脂肪酸可全部轉(zhuǎn)化成甲酯。酶較貴，如果采用固定化脂肪酶，酶可多次循環(huán)使用,則可降低成本。超臨界法甲醇處于超臨界狀態(tài)，可在無(wú)cat條件下，短時(shí)間內(nèi)獲得極高轉(zhuǎn)化率。通過(guò)分相可使生物柴油與甘油分開(kāi)與堿催化相比，此法對(duì)原料要求低，反應(yīng)時(shí)間短，工藝簡(jiǎn)單，成本有優(yōu)勢(shì)。生物柴油制備方法比較比較項(xiàng)目酯交換法超臨界法（MeOH）酶催化法固體堿法反應(yīng)時(shí)間0.5~8h120~240s60~72h2~5h反應(yīng)條件常壓、常溫~65℃>8.09Mpa,>240℃常壓、常溫~65℃催化劑酸或堿無(wú)脂肪酶固體堿游離脂肪酸皂化產(chǎn)品脂肪酸甲酯脂肪酸甲酯皂化產(chǎn)品除去物甲醇、催化劑和皂化物甲醇甲醇固體催化劑、甲醇和皂化產(chǎn)品純化與精制生物柴油與甘油甘油甘油甘油過(guò)程復(fù)雜簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單催化劑制備困難設(shè)備常規(guī)高溫高壓常規(guī)常規(guī)四、乳酸的生物合成與聚乳酸1.概述乳酸（α-羥基丙酸）CH3CH(OH)COOH，L-乳酸和D-乳酸，旋光性聚乳酸能生物降解，是功能纖維和熱塑性材料。在生物體內(nèi)先轉(zhuǎn)變成生物本身存在的乳酸，在自然界和生物體中都最終轉(zhuǎn)化為CO2和水。2.乳酸發(fā)酵機(jī)理菌種：細(xì)菌和根霉乳酸細(xì)菌發(fā)酵分為同型乳酸發(fā)酵、異型乳酸發(fā)酵乳酸細(xì)菌不能直接發(fā)酵淀粉質(zhì)原料，必須經(jīng)過(guò)糖化過(guò)程，轉(zhuǎn)變?yōu)樘琴|(zhì)原料才能發(fā)酵。乳酸細(xì)菌發(fā)酵同型乳酸發(fā)酵葡萄糖經(jīng)EMP糖酵解途徑降解為丙酮酸，丙酮酸在乳酸脫氫酶的催化下還原為乳酸。異型乳酸發(fā)酵

C6H12O6+ADP+Pi→CH3CHOHCOOH+CH3CH2OH+CO2+ATP

乙酰磷酸→乙醇葡萄糖→6-磷酸葡萄糖酸→5-磷酸木酮糖――→3-磷酸甘油醛

CO2↓