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淺談燃料乙醇工藝的化學(xué)工業(yè)創(chuàng )新
燃料乙醇生物法生產(chǎn)過(guò)程包含發(fā)酵生物化學(xué)反應與乙醇分離兩大主要過(guò)程，下面是小編搜集整理的一篇探究燃料乙醇工藝的化學(xué)工業(yè)創(chuàng )新的論文范文，供大家閱讀參考。
摘 要：在這個(gè)能源日趨匱乏的時(shí)代，燃料乙醇作為一種新型能源逐漸顯露其重要地位，在此介紹了燃料乙醇的生產(chǎn)方法以及技術(shù)創(chuàng )新。提出利用化學(xué)工程學(xué)的理論及方法研究燃料乙醇生物反應工程的規律、工程放大及流程創(chuàng )新將是一種主要趨勢。
關(guān)鍵詞：燃料乙醇 工藝 創(chuàng )新
隨著(zhù)世界石化能源的日趨匱乏，石油類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格日益攀升，開(kāi)發(fā)一種綠色可持續的能源已經(jīng)變得相當急迫。乙醇作為一種生產(chǎn)工藝成熟、生產(chǎn)來(lái)源廣泛的替代能源越來(lái)越受到人們的關(guān)注。
乙醇俗稱(chēng)酒精，它以玉米、小麥、薯類(lèi)、糖蜜木質(zhì)纖維素等為原料經(jīng)發(fā)酵，蒸餾而制成。所謂燃料乙醇是指對濃度95%左右的乙醇進(jìn)一步脫水，再加上5%體積分散(一般為無(wú)鉛汽油或無(wú)鉛的烴類(lèi))的變性劑使之成為水分小于0.8%，且不可食用的變性無(wú)水乙醇。燃料乙醇既是一種清潔能源，又是一種良好的汽油增氧劑和辛烷值調和組分，用以代替四乙基鉛和甲基叔丁基醚(MTBE)或乙基叔丁基醚(ETBE)，乙醇調入汽油對降低汽車(chē)尾氣中的一氧化碳含量很有效，起到凈化空氣的效果，同時(shí)，乙醇用糧食制造，是一種生物轉化的太陽(yáng)能，是一種取之不盡，用之不竭的可再生能源，在汽油中加入一定比例的乙醇作燃料，能節約石油、凈化空氣，轉化多余的糧食，為人類(lèi)社會(huì )的可持續發(fā)展提供一條簡(jiǎn)單有效的途徑。
目前，世界上燃料乙醇的生產(chǎn)方法有合成法(即乙烯水合法)和生物法兩種。由于近年來(lái)受原油資源問(wèn)題及乙烯價(jià)格上漲的制約，合成法被生物法所取代。生物法生產(chǎn)燃料乙醇，大部分是以甘蔗、玉為、薯干和植物秸桿與農產(chǎn)品或農林廢棄物為原料酶解糖化發(fā)酵制造的，其生產(chǎn)工藝有酶解法、酵水解法及一步酶法工藝法等。這段工藝與食用乙醇的生產(chǎn)工藝基本相同，所不同的是需增加濃縮脫水后處理工藝，使其水的體積分數降到1%以下，由于乙醇生產(chǎn)過(guò)程中水的存在，使得乙醇與水形成二元共沸物，而采用普通精餾方法所得乙醇中水的體積分數約為5%，要想控制燃料乙醇水的體積分數達到1%以下就必須采用較新的脫水工藝(目前開(kāi)發(fā)的脫水工藝主要有：滲透汽化、吸附蒸餾、特殊蒸餾、加鹽萃取蒸餾、變壓吸附和超臨界萃取分離等)，脫水后制成的燃料乙醇再加少量變性劑就成為變性燃料乙醇。
燃料乙醇生物法生產(chǎn)過(guò)程包含發(fā)酵生物化學(xué)反應與乙醇分離兩大主要過(guò)程，其工藝流程與人們熟知的化學(xué)工程中的許多單元操作存在不少共同點(diǎn)，如傳遞和反應諸多化學(xué)工程問(wèn)題，所不同的是這里反應是發(fā)酵生化反應。在理論上來(lái)說(shuō)似乎是簡(jiǎn)單的過(guò)程，但要想在大規模水平上獲得最大效率，卻需要依靠生物學(xué)和化學(xué)工程的結合。
化學(xué)工程的核心仍是“三傳一反”，即使在納米尺度上，反應和傳遞兩種因素的共同作用是造成形形式式物質(zhì)結構的根本原因，目前發(fā)醇工藝的放大仍停留在經(jīng)驗階段，并沒(méi)有上升到理論水平，這與燃料乙醇發(fā)展的需求極不相稱(chēng)，因此，采用化學(xué)工程的成熟理論及先進(jìn)技術(shù)來(lái)研究燃料乙醇工藝過(guò)程，并進(jìn)行創(chuàng )新具有重要的理論及實(shí)際意義。
一、發(fā)酵過(guò)程的化學(xué)工程分析
1.多尺度問(wèn)題
由于酒精發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)綜合了微生物學(xué)、生物化學(xué)以及化學(xué)工程等的復雜過(guò)程，因此，模擬市場(chǎng)計算該過(guò)程不能僅僅單一采用傳統的生物學(xué)方法或化學(xué)工程的方法，而應對生物反應器中多尺度問(wèn)題作綜合考慮。在化學(xué)工程學(xué)角度看來(lái)，酒精發(fā)酵罐可以看做是反應器，理論上計算反應器的模型應可以適用于酒精發(fā)酵罐。
2.動(dòng)力學(xué)與放大
乙醇發(fā)醇過(guò)程前沿課題主要集中在液化、糖化和發(fā)酵過(guò)程節能降耗，包括：耐高溫、高糖濃度、高乙醇濃度的能力以及酵母高效發(fā)酵過(guò)程的基礎研究;液化酶、糖化酶的作用機制及實(shí)際物系的動(dòng)力學(xué)研究;同步糖化發(fā)酵動(dòng)力學(xué)方面的研究。從化學(xué)工程角度看，上述問(wèn)題涵蓋發(fā)酵生物反應動(dòng)力學(xué)及傳遞特性?xún)蓚�(gè)方面，動(dòng)力學(xué)方法是發(fā)酵過(guò)程放大的理論基礎。發(fā)酵動(dòng)力學(xué)包括兩個(gè)層次：一是本征動(dòng)力學(xué)，它是指沒(méi)有傳遞等工程因素影響時(shí)，發(fā)酵生物反應固有的速率;二是宏觀(guān)動(dòng)力學(xué)，它是指在反應器內所觀(guān)測到的總反應速率及其形式和結構、操作方式、物料的流動(dòng)與混合，傳遞與傳熱等。
在大多數情況下，只要體系物性、流場(chǎng)、流態(tài)與在實(shí)際操作(熱態(tài))時(shí)比較接近，往往可以用冷模的實(shí)驗方法模擬在熱態(tài)下的流體力學(xué)狀態(tài)，這對大設備的放大規律的研究有幫助。因此，采用大型冷模研究在過(guò)程設備中流體的流體力學(xué)特性并與小型熱模所進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)研究相結合是研究發(fā)酵設備放大規律的一種有效方法。
3.發(fā)酵罐內多場(chǎng)分布
多場(chǎng)分布包括溫度分布、濃度分布和速率分布。發(fā)酵生物反應器中的物理因素—傳遞特性將影響到反應器內基質(zhì)和產(chǎn)物的濃度分布及溫度分布，進(jìn)而影響到反應器內某一組分的反應速率。因此，傳遞特性的研究是不可忽視的問(wèn)題，研究發(fā)酵罐內傳熱、傳質(zhì)及傳動(dòng)將是化學(xué)工程領(lǐng)域的一項重要任務(wù)，同時(shí)也為更好地控制發(fā)酵過(guò)程提供了理論依據。
CFD模型在模擬反應器內的溫度、濃度和速度分布上是一種十分重要的方法，應引起重視。
二、乙醇純化過(guò)程中的化學(xué)工程問(wèn)題
采用發(fā)酵的方法生產(chǎn)乙醇，同時(shí)不可避免地會(huì )生成水，要獲得乙醇勢必要對乙醇和水進(jìn)行分離，從原理講分離乙醇和水的方法有精餾、吸附、滲透汽化膜分離等方法，然后發(fā)酵液中乙醇質(zhì)量分數一般為5%～12%，而燃料乙醇產(chǎn)品的純度卻要在99%以上。因而從發(fā)酵液中分離出乙醇所消耗費的能量占總能量的絕大部分。所以從發(fā)酵液中分離乙醇—水混合液一般分兩步：先用普通精餾得到質(zhì)量分數為92.4%的乙醇，再用共沸精餾、萃取精餾、液液萃取、吸附或其它方法得到無(wú)水乙醇。
精餾作為具有技術(shù)成熟度和應用成熟度較高的分離方法，是分離乙醇—水混合液最早，也是最普遍的方法，但需很高的能耗�，F有3種方法替代精餾方法生產(chǎn)乙醇：萃取法、超臨界流體法和滲透蒸發(fā)膜分離法，這部分工藝幾乎等同于化學(xué)工程的分離工藝技術(shù)，可以應用。
三、生物發(fā)酵反應與分離過(guò)程耦合
現有燃料乙醇工藝的基礎研究包括生產(chǎn)過(guò)程放大和流程創(chuàng )新、研究生物反應與分離過(guò)程耦合探索新的短流程工藝。
將生物發(fā)酵直接看作反應并與分離技術(shù)耦合來(lái)提高整個(gè)發(fā)酵及分離的效率，將推動(dòng)燃料乙醇工藝的技術(shù)進(jìn)步。
多場(chǎng)耦合對開(kāi)發(fā)新型發(fā)酵與分離設備具指導意義，未來(lái)發(fā)展趨勢必將是將反應與分離以及多種分離結合一起的設備。如精餾與吸附、發(fā)酵與精餾等通過(guò)一個(gè)設備操作實(shí)現兩者完美結合，而目前的多塔生產(chǎn)工藝將會(huì )被逐漸淘汰而發(fā)展對應短流程工藝這方面研究及發(fā)展將極大地消減成本，同時(shí)也降低能耗，對改善反應與分離過(guò)程，提高效率具很大潛力。
貫穿于燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程的流體流動(dòng)、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞問(wèn)題與發(fā)酵生化反應交織在一起，對燃料乙醇過(guò)程產(chǎn)生決定性的影響。發(fā)酵過(guò)程尤其是同步糖化發(fā)酵技術(shù)背后的物理、生物、化學(xué)機制及工程策略，發(fā)酵罐中流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)的多場(chǎng)耦合，對生物反應器中多尺度問(wèn)題作綜合考慮，采用人工智能研究流程優(yōu)化組合分析工程策略，發(fā)展新型分離發(fā)酵設備等，都是目前急需研究的內容，是燃料乙醇領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。
采用化學(xué)工程學(xué)理論及方法研究燃料乙醇生物反應工程規律、工程放大及流程創(chuàng )新將是一種主要趨勢。
參考文獻
[1] 李靜海.淺談21世紀的化學(xué)工程[J]. 化工學(xué)報，2008，59(8)： 1879-1883.
[2] 張嗣良.多尺度微生物過(guò)程優(yōu)化[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.
[3] 武國慶，羅虎，鄧立康，等.中糧生產(chǎn)企業(yè)對工業(yè)生物技術(shù)發(fā)展的若干思考[J]. 中國基礎科學(xué)：工業(yè)生物技術(shù)專(zhuān)刊，2009(5)：100-104.
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