燃料乙醇的制取工艺与实例

能源是人类赖以生存和持续发展的重要物质基础。常规矿物燃料的有限储量和其利用时对环境造成严重污染，使人类面临着日趋严重的能源危机和环境恶化。合理开发利用生物质能无论在能源安全战略上、经济上，还是在生态环境保护方面都具有重要意义。据估计，在未来40年，生物质能源将占全球总耗能的40％。燃料乙醇是生物质能源中最容易实现产业化的品种之一，早在20世纪初就有产品面市，后因中东地区石油的大规模、低成本开发，燃料乙醇在经济性上较石油差而被淘汰。近二十多年来，随着化石能源日渐枯竭，石油价格攀升，寻找清洁环保、可以再生的石油替代品及其加工制造技术又成为世界各国关注的焦点。普遍认为，燃料乙醇是车用燃料最适合的替代产品，燃料乙醇制造及使用技术的开发将对节约石油资源、减少环境污染、促进农业和其他相关产业的发展具有重大意义。更为重要的是，用生物质制造的燃料乙醇是太阳能的一种表现形式，在自然界物质能量循环系统中组成可再生、无污染的闲路循环，永不枯竭，是组成人类进入后化石能源时代的重要能源之一。
  随着一些先进农业国劳动生产率的大幅度提高，以及20世纪70年代中期以来四次较大的石油危机，推动了燃料乙醇工业在世界许多国家得以迅速发展。美国是世界上燃料乙醇的主要生产、消费国之一，对燃料乙醇的研究、开发时间较早，推广使用的规模大。在20世纪30年代，美国就已开展了燃料乙醇的研究及应用工作。70年代的世界石油危机和1990年美国国会通过空气清净法(修正案)后，是美国燃料乙醇两个主要发展时期。在美国39个CO排放超标的地区必须使用含氧量2．7％的含乙醇汽油(相当于添加7．7％的无水乙醇)。除此之外，该法案还要求从1995年开始，在美国9个臭氧超标地区使用新配方汽油(ReformulatedGas01ine)。 目前，美国新配方汽油的消耗量约占全美汽油总消耗量的1／3。巴西燃料乙醇的应用始于20世纪初，20世纪70年代，为防止国内能源的消耗，尽快利用国内资源代替石油进口，保持经济的发展，巴西政府设立了用生物质原料制备乙醇代替汽油计划。出于多种原因，甘蔗几乎成为巴西燃料乙醇的唯一生产原料。在1977年，正式以20％乙醇比例在圣保罗市各州实行，1980年提高到22％的比例在全国推行。目前巴西年产乙醇1000万吨左右，其中97％用于燃料，使巴西成为世界上唯一不供应纯汽油的国家。目前，欧盟中法国、西班牙和瑞典已生产和使用乙醇—汽油混合燃科；其他成员国如荷兰、英国、德国、奥地利等国家的农业部也已向政府提出规划，要求发展燃料乙醇工业；欧盟乙醇与汽油混合燃料的使用量大约在12．5亿升以上。世界各国能源研究人员正在从能源安全、环境保护和资源战略等多方面对发展燃料乙醇进行深入研究。我国于2000年开始启动车用乙醇汽油项目，已取得初步成果。目前，我国每年乙醇产量已经达到300多万吨，其中80％用淀粉质原料生产，约有10％用废糖蜜生产，以亚硫酸盐纸浆废液等纤维原料生产的乙醇约占2％，石油裂化合成的占3．5％左右。淀粉质原料主要以玉米等陈化粮为主，从长远看，我国人口在增加，耕地在不断减少，存在粮食安全问题。对于我国而言，寻求不与人争粮、不与粮食争地的燃料乙醇生产原料具有十分重要的意义。大量利用纤维素原料、野生植物和各种工农业生产废弃物，大力开发甜高梁、甘蔗、甜菜、木薯等高产能作物，可以扩大原料来源，减少生产成本，解决粮食安全等问题。
本书在参考国内外大量资料的基础上，根据编者多年的科研与生产实践经验，结合当今世界可再生能源领域的研究发展前沿及我国节能减排政策，对国内外各类燃料乙醇加工原料、工艺特点和应用技术做了详尽的阐述。着重介绍了甜高梁茎秆、木质纤维素等非粮食生物质原料制取燃料乙醇的生产加工技术，符合我国国情和国家鼓励使用非粮原料生产乙醇的产业政策。总结了大量国外燃料乙醇研究、生产上取得的最新成果，分析了当今世界燃料乙醇生产的发展趋势。希望此书能对促进燃料乙醇技术发展和生产工艺的进步发挥积极作用。
  本书可供从事新能源和可再生能源及农业资源利用领域的工程技术人员、科研人员参考，也可作为高等院校、相关专业本科生、研究生教材使用。
  本书由刘荣厚、梅晓岩、颜涌捷主编，马赞华、任铮伟、沈飞、陆军、邹剑秋、蔡均猛参与编写。其中，刘荣厚编写第四章；梅晓岩编写第一章；马赞华编写第五章、第六章；任铮伟编写第七章的第一节、第二节、第三节、第四节、第五节、第七节；沈飞编写第三章；陆军编写第七章的第六节、第八节；邹剑秋编写第二章；蔡均猛编写第八章。在
统稿过程中，梅晓岩做了大量工作，最后由刘荣厚统稿。中国农业大学石元春院士对本书的编写给予了热情帮助，在此表示诚挚的谢意。辽宁省农业科学院的王艳秋、段有厚在本书第二章编写中给予无私的帮助，在此一并表示感谢。
  本书在编写过程中，参考了大量国内外有关资料，在此表示深深的谢意。由于书中内容涉及面广，编者水平有限，书中难免存在不足之处，欢迎读者批评指正。
  编 者
  2007年8月

本书借鉴了大量国内外在燃料乙醇研究，生产上的最新成果，结合我国节能减排政策，在总结国内外燃料乙醇发展。应用现状和燃料乙醇生产技术取得成就的基础上，将编者多年的研究成果与生产实践融为一体，全面系统地介绍了生产燃料乙醇的生物质原料资源，包括糖类生物质原料。甜高粱茎秆汁液，淀粉类生物质原料。废糖蜜、甘蔗和甜菜、纤维素类生物质原料生产燃料乙醇的工艺以及燃料乙醇应用技术，并对国内外典型燃料乙醇生产的成功案例进行了分析。
本书通过原理性的理论分析和实际生产工艺介绍，让读者较详尽掌握燃料乙醇生产原料的种类。制造工艺特点和最新研究动态等内容，非常适合于从事新能源和可再生能源及农业资源利用领域的工程技术人员、科研人员参考，也可作为高等院校相关专业本科生、研究生教材使用。

第一章 绪论
  第一节 乙醇的性质、用途和生产方法
  一、乙醇的主要性质
  二、乙醇的主要用途
  三、乙醇的生产方法及原料
 第二节 燃料乙醇
  一、燃料乙醇的概念
  二、发展燃料乙醇的意义
  三、世界燃料乙醇发展基本状况
  四、我国燃料乙醇发展基本状况
  五、燃料乙醇发展前景及展望
第二章 生产燃料乙醇的生物质原料资源
 第一节 生产燃料乙醇的糖类生物质原料
  一、甜高梁
  二、甘蔗
  三、甜菜
 第二节 甜高粱品种选育
  一、甜高粱品种选育概述
  二、甜高粱品种选育理论
  三、甜高粱品种选育技术
 第三节 甜高粱高产栽培技术
  一、播种技术
  二、田间管理技术
  三、施肥技术
  四、灌溉技术
  五、收获技术
  六、特殊栽培技术
 第四节 生产燃料乙醇的淀粉类生物质原料
  一、谷类原料
  二、薯类原料
  三、野生植物原料
 第五节 生产燃料乙醇的纤维素类生物质原料
  一、纤维素
  二、半纤维素
  三、木质素
第三章 糖类生物质原料生产燃料乙醇的工艺
 第一节 糖类生物质原料乙醇发酵机理与过程
  一、糖类生物质原料乙醇发酵机理
  二、糖类生物质原料乙醇发酵过程
 第二节 糖类生物质原料乙醇发酵微生物
 一、乙醇生产中常用的酵母菌株
 二、经过诱变选育获得的乙醇酵母菌种
 三、能利用糖类生物质原料进行乙醇发酵的细菌
 四、产乙醇转基因工程菌的构建
第三节 糖类生物质原料乙醇生产工艺
 一、糖类生物质原料的预处理工艺
 二、糖液的灭菌工艺
 三、酵母培养的工艺
 四、糖质原料乙醇发酵工艺
 五、糖质生物质原料乙醇蒸馏工艺
第四节 糖质生物质原料乙醇发酵的控制
 一、发酵醪液成熟的主要指标
 二、考察糖类原料乙醇生产效果的主要指标
 三、影响乙醇发酵的因素及控制措施
 四、乙醇发酵过程中的杂菌控制
第四章 甜高粱茎秆汁液制取燃料乙醇技术
第一节 概述
 一、甜高粱茎秆汁液制取燃料乙醇的意义
 二、甜高粱茎秆汁液制取燃料乙醇的现状
 三、甜高粱茎秆汁液制取乙醇的工艺流程
第二节 不同种植期对甜高粱主要生物性状及成糖影响
 一、不同种植期对甜高粱生长情况的影响
 二、不同的种植期对甜高粱主要生物性状的影响
 三、不同种植期对甜高粱茎杆汁液糖分含量的影响
第三节 甜高梁茎秆汁液提取工艺技术
 一、甜高粱茎秆汁液提取工艺流程
 二、压榨机工作原理
第四节 甜高粱茎秆汁液贮存技术
 一、甜高粱茎秆汁液贮存的意义及方法
 二、防腐剂对吉甜2号甜高粱茎秆汁液贮存及发酵的影响
 三、防腐剂对沈农甜杂2号甜高粱茎秆汁液贮存及发酵的影响
 四、小结
第五节 甜高粱茎秆汁液固定化酵母酒精发酵工艺条件的研究
 一、试验方法
 二、温度对甜高粱茎秆汁液固定化酵母酒精发酵的影响
 三、pH值对甜高梁茎秆汁液固定化酵母酒精发酵的影响
 四、转速对甜高梁茎秆汁液固定化酵母酒精发酵的影响
 五、粒子填充率对甜高粱茎秆汁液固定化酵母酒精发酵的影响
 六、验证性试验结果
第六节 营养盐配比对酒精得率的影响
 一、甜高梁茎秆汁液的锤度与可溶性糖含量的测定及甜高梁品种筛选
 二、摇瓶中营养盐配比对酒精得率的影响
 三、反应器中营养盐配比对酒精得率的影响
第七节 固定化酵母粒子强化及其对甜高梁茎秆汁液乙醇发酵的影响
 一、固定化酵母粒子强化的目的
 二、材料与方法
 三、结果与分析
  四、结论
第八节 甜高粱茎秆汁液制取乙醇工程实例
  一、甜高粱茎秆汁液制取乙醇工程实例一
  二、甜高粱茎秆汁液制取乙醇工程实例二
第九节 甜高梁茎秆固体发酵制取乙醇工艺
  一、甜高粱茎秆固体发酵制取乙醇工艺特点
  二、甜高梁茎秆固体发酵制取乙醇工艺流程
第十节 甜高粱茎秆残渣的综合利用
  一、甜高梁茎秆残渣生产蛋白饲料
  二、甜高梁茎秆残渣作青贮饲料
  三、制纸浆和制纤维板
  四、食(药)用菌培养基
第五章 淀粉类生物质原料制取燃料乙醇工艺
第一节 制取乙醇的淀粉类生物质原料与辅料
 一、淀粉类生物质原料的特点
 二、淀粉类生物质原料乙醇生产的酶制剂及辅料
第二节 淀粉类生物质原料生产乙醇的机理
 一、淀粉水解糖化机理
 二、淀粉类生物质原料乙醇发酵机理
第三节 淀粉类生物质原料生产乙醇的工艺
 一、淀粉类生物质原料预处理工艺
 二、乙醇酵母的培养工艺
 三、乙醇发酵工艺与控制
第四节 乙醇蒸馏脱水技术与工艺
 一、乙醇脱水方法概述
 二、共沸脱水法生产无水乙醇的工艺
 三、萃取法生产无水乙醇的工艺
 四、有机物吸附法生产无水乙醇工艺流程
第五节 淀粉类生物质原料乙醇清洁生产技术
  一、概述
  二、淀粉类生物质原料乙醇糟液处理技术
第六节 淀粉类生物质原料制取乙醇新技术新工艺
 一、乙醇连续发酵技术
 二、固定化酵母技术
 三、大罐发酵技术
 四、细菌乙醇发酵技术
 五、酵母分离回收使用技术
 六、高浓度乙醇发酵
第七节 淀粉类生物质原料生产乙醇案例
  一、以玉米为原料生产乙醇工厂的工艺流程案例
  二、木薯原料乙醇生产案例
第八节 淀粉类生物质原料乙醇生产的指标测算
 一、淀粉类生物质原料乙醇生产常用指标
 二、乙醇生产技术经济指标提高对策
第六章 废糖蜜、甘蔗和甜菜制取燃料乙醇工艺技术
第一节 废糖蜜及其贮存
 一、废糖蜜的种类及组成
  二、糖蜜的贮存
  三、糖蜜乙醇生产的辅料
第二节 稀糖液的制备及处理
 一、糖蜜的稀释
 二、添加营养盐
 三、糖液的灭菌
 四、糖蜜的酸化
 五、稀糖液的澄清
第三节 糖蜜乙醇酵母及其培养
 一、糖蜜乙醇酵母
 二、糖蜜乙醇酵母的纯种扩培
 三、酒母的数量及制备
第四节 糖蜜乙醇发酵及蒸馏特点
 一、糖蜜乙醇发酵方法
 二、糖蜜乙醇发酵的管理
 三、糖蜜乙醇发酵成熟醪的指标
 四、糖蜜与淀粉质原料混合发酵
 五、糖蜜原料乙醇蒸馏的特点
第五节 糖蜜原料乙醇糟处理技术
 一、糖蜜原料乙醇废液生产农肥
 二、糖蜜原料乙醇废液的厌氧+好氧处理
 三、糖蜜原料乙醇糟处理液回用处理
 四、糖蜜乙醇糟液的焚烧处理
第六节 废糖蜜、甘蔗和甜菜制取乙醇生产案例
 一、糖蜜生产乙醇案例
 二、甘蔗直接生产乙醇的工艺
 三、甜菜生产乙醇的工艺
第七章 纤维紊类生物质原料生产燃料乙醇的工艺与实{
第一节 概述
 一、发展纤维素原料生产燃料乙醇的意义
 二、基本原理
 三、发展前景
第二节 纤维素类生物质制酒精工艺流程
 一、纤维素类生物质制酒精的一般流程
 二、工艺流程的安排
 三、工艺流程的选择和设计原则
第三节 纤维素生物质原料酸水解工艺技术
 一、稀酸水解机理
 二、稀酸水解影响因素
 三、稀酸水解反应器的类型
 四、浓酸水解
第四节 纤维素生物质原料酶水解工艺技术
 一、酶水解原理
 二、原料预处理
 三、纤维素酶生产
 四、酶水解影响因素
 五、固定化酶技术
 第五节 发酵技术
  一、基本原理
  二、影响发酵的因素
  三、发酵原料净化
  四、五碳糖发酵
  五、同时糖化和发酵工艺
  六、联合生物加工工艺
 第六节 纤维素原料生产燃料乙醇废弃物的综合利用
  一、纤维素原料生产燃料乙醇的废弃物
  二、生产废液的利用
  三、生产废渣中本质素的利用
 第七节 木屑制取燃料乙醇工艺技术案例分析
  一、SSCF酶水解工艺
  二、两级稀酸水解工艺
 第八节 玉米秸秆制燃料乙醇案例分析
  一、国内玉米秸秆某企业生产燃料酒精案例分析
  二、国外玉米秸杆生产燃料酒精解决方案
第八章 燃料乙醇应用技术
 第一节 乙醇汽油
  一、何谓乙醇汽油
  二、乙醇汽油的性能
  三、乙醇汽油的调和
  四、乙醇汽油的储运
  五、国内外乙醇汽油发展现状
 第二节 乙醇柴油
  一、概述
  二、乙醇柴油的理化性质
  三、国内外乙醇柴油应用研究情况简介
 第三节 乙醇燃料电池
  一、乙醇燃料电池的工作原理
  二、直接乙醇燃料电池研究现状
  三、乙醇燃料电池阳极电催化剂
  四、乙醇燃料电池电解质膜
  五、乙醇燃料电池性能及其影响因素
 第四节 乙醇制乙烯
  一、乙醇制乙烯的意义及工业化现状
  二、乙醇制乙烯与石油裂解制乙烯比较
  三、乙醇脱水制乙烯工艺
  四、乙醇制乙烯的工业化现状
  五、乙醇脱水制乙烯催化剂的研究应用现状
参考文献