从菌种改造角度进行分析如何提高乙醇产率
纤维素生物质用酸水解处理,得到萄葡糖和木糖含水溶液,该萄葡糖和木糖含水溶液采用自然界存在的细菌:产乙酸菌使其进行发酵,使糖类转化成醋酸。醋酸被酯化生成醋酸乙烯,其全部或部分被加氢以生产乙醇。氢气从来自酸水解过程的木质残渣进行气化而得到。与常规的生物质工艺过程完全不同,常规的生物质工艺过程中,乙醇由酵母在发酵步骤中生成。酵母发酵每生成一分子乙醇会产生一分子CO2,而使用乙酸菌发酵的方法不产生CO2。将醋酸与H2生产组合在一起产生的净能量价值(NEV)为常规途径近10倍。
在相关的开发中,ZeaChem公司已生产出冰醋酸(>99%纯度),可应用于宽范围产品。酸采用工业溶剂提浓,从发酵液中抽取出来,然后使溶剂分出和循环使用。溶剂抽提使用的能量仅为常规蒸馏方法的25%。(
乙醇的七种制备方法如下。
一、制备方法
1、发酵法
糖质原料(如糖蜜、亚硫酸废液等)和淀粉原料(如甘薯、玉米、高梁等)发酵。
发酵法的原料可以是含淀粉的农产品,如谷类、薯类或野生植物果实等;也可用制糖厂的废糖蜜;或者用含纤维素的木屑、植物茎秆等。这些物质经一定的预处理后,经水解(用废蜜糖作原料不经这一步)、发酵,即可制得乙醇。
2、乙烯水化法
乙烯直接水化法,就是在加热、加压和有催化剂存在的条件下,是乙烯与水直接反应,生产乙醇:CH2═CH2 + H─OH→C2H5OH
此法中的原料—乙烯可大量取自石油裂解气,成本低,产量大,这样能节约大量粮食,因此发展很快。
3、煤化工
工业制乙醇还主要是通过乙烯氢化制得,而适合中国国情的技术就是利用煤化工技术,将煤转化为合成气,直接或者间接的合成乙醇。
4、联合生物加工
利用生物能源转化技术生产乙醇能缓解非再生化石能源日渐枯竭带来的能源压力。联合生物加工技术,一体化程度高,能有效降低生产成本,未来发展前景广阔。
5、合成法
以乙烯为原料生产乙醇。该法生产的乙醇中夹杂着异构高碳醇,对人有麻痹作用,不宜作食品、饮料、医药和香料等。
6、分批萃取精馏法
7、分子筛固定床吸附法(简称分子筛法)
分子筛是一种无色、无臭、无毒的新材料
二、乙醇
乙醇分子是由乙基和羟基两部分组成,可以看成是乙烷分子中的一个氢原子被羟基取代的产物,也可以看成是水分子中的一个氢原子被乙基取代的产物。乙醇分子中的碳氧键和氢氧键比较容易断裂。
无水乙醇指的是纯乙醇,里面不含有水或其他物质,一般在一些化学试验中用到。酒清一般是指含有一部分水,比如一般纯酒精指的是95%的酒精(里面有5%的水)医用酒精是75%的酒精,只有75%的洒精才有杀菌作用。浓度过高或过低都起不到杀菌作用。
2,工业上制备无水酒精的方法是在普通酒精中加入一定量的苯,再进行蒸馏。于64.9℃沸腾,蒸出苯、乙醇和水的三元恒沸混合物(比率为74:18.5:7.5),这样可将水全部蒸出。继续升高温度,于68.3℃蒸出苯和乙醇的二元混合物(比率为67.6:32.4),可将苯全部蒸出。最后升高温度到78.5℃,蒸出的是无水乙醇。工业上使用强酸性阳离子交换树脂(具有极性基团,能强烈吸水)来制取无水酒精。
3,食用蒸馏酒是把经过发酵的酿酒原料,经过一次或多次的蒸馏过程提取的高酒度酒液。蒸馏酒的制作原理是根据酒精的物理性质,采取使之汽化的方式,提取的高纯度酒液。因为酒精的汽化点是78.3℃,达到并保持这个温度就可以获得汽化酒精,如果再将汽化酒精输入管道冷却后,便是液体酒精。
用生石灰可以提高工业酒精的浓度,加入生石灰是为了让工业酒精中的水反应生成氢氧化钙,加入石灰的量视工业酒精的含水量而定。
粗略的计算一下,一般工业酒精的含水率为4%-5%按100克酒精中含水5克。5克水理论上可以消耗15.6克氧化钙,但是考虑到生石灰含有杂质,推算下来,100克工业酒精至少要加入10克生石灰。生石灰要加过量些,以保证除水的效果,是否过量还要加入后生石灰是否崩解成粉末状,若放置一段时间生石灰不在崩解,说明石灰加过量。以上便是让工业酒精中酒精浓度提高方法。
工业酒精实际上应当叫“工业用酒精”(ethanol for industrial use)*早的酒精国标GB394-81“合用于由谷物、薯类、甜菜及糖蜜所制的含水酒精”,包含了工业酒精和食用酒精。可是对哪个级另外酒精能够用作食用未作具体划定,后来在屡次甲醇中毒事端今后,才有二级或二级以上酒精方可用于食用的划定。
为此,1989另行拟定了GB10343-89食用酒精标准,今后GB394-81主动转化为工业酒精标准。1994年GB394-81酒精标准修订为GB/T394.1-94标准,是为现行工业酒精标准。GB/T394.1-94中,划定优等、一等、合格品工业酒精的含量分别为0.8、1.2、2.0(≤g/L,下同),GB10343-89食用酒精标准中划定优级为0.1,一般级为0.6其它乙醇类国标如GB6820-86组成乙醇、6820-92工业组成乙醇、GB678-90乙醇(无水乙醇)划定的甲醇含量*多不超越2.0。当然GB394-81中四级酒精并没有划定甲醇含量,但划定乙醇含量不少于95%(体积比),即使其间彻底不含水及其它杂质(这是不可能的)甲醇含量也不可能太高。
所谓“工业酒精”中毒,形成事端的“工业酒精”并非规范酒精厂出产的,是不法厂商用甲醇掺杂少数乙醇,乃至直接用甲醇换个标签“制作”出来的。因为酒精长时间紧缺,价钱高出甲醇一倍以上,而甲醇的气味、滋味、比重等和乙醇类似。而这些所谓的酒精,被冠以“工业酒精”、“组成酒精”、“工业木酒精”、“溶剂酒精”、“变性酒精”、“火锅酒精”等等名义出售,假设报导的时分不加差异,就会形成“工业酒精”含很多甲醇的误解。
工业上大量生产乙醇是用石油裂解气(petroleum pyrolysis gas)中的乙烯做原料。
一种方法是把乙烯在100℃吸收于浓硫酸中,然后水解。此法优点是乙醇产率高,但要用大量硫酸,对设备有强烈的腐蚀作用,还存在对废酸的回收利用问题。
另一种方法在烯烃酸催化下加水时,用磷酸做催化剂,在300℃和7MPa压力下,把水蒸气通人乙烯中,此法步骤简单,没有硫酸腐蚀及废酸的回收利用问题,但需用高浓度的乙烯,且在高压下操作,生产设备要求很高,且一次转化成乙醇的量很少,要反复循环,消耗能量较大。
上述两法,成本差别不是很大,由于乙烯可大量地从石油加工得到,受到各国重视。
生产乙醇的第三种方法叫做发酵法(fermentation method),这是与上述方法完全不同的,是通过微生物进行的一种生物化学方法。饮用的酒就是用这种方法生产的。中国的乙醇发酵是用干薯、马铃薯及其它含淀粉的物质做主要原料,这些原料先和黑曲霉作用进行糖化,即把淀粉转变成单糖,然后,加入培养的酵母发酵,把糖变为酒和二氧化碳。二氧化碳是副产品,产率均为95%,可将之降温,压缩装入钢瓶中,并成为固体,叫做干冰,在常压下即成为二氧化碳气体。在酵母的作用下把糖变为酒是一个很复杂的过程,现在对这个过程已经有了很清楚的了解,它是许多专一反应共同作用的结果,不过各专一反应都是由特殊作用的酶进行的,目前,从酵母复合酶中已分离出12种酶。酶是一种专一而又活性极高的有机催化剂。在制酒的发酵过程中,还产生少量戊醇的两个异构体及少量丁二酸,这些产物不是来自淀粉,而是由原料中所含蛋白质的发酵产生的。