再生能源与可持续能源理论

1、再生能源与可持续能源理论无水乙醇：能源中的一种可再生资源关键词：无水乙醇，共沸混合物，生物质燃料，共沸蒸馏，萃取蒸馏，扩散蒸馏 概要无水乙醇是一种已被量产的生物质能源而且也是可再生能源的一个子。它被认为 是一种极好的可以替代汽油的清洁燃料。无水乙醇在商业上用催化水合乙烯或者 生物质的发酵生产。任何生物材料都含有糖，淀粉或纤维素可以被用于作为生物 质来生产无水乙醇。由于89.4 mol%乙醇和10.6 mol% 水组成乙醇水溶液可以 形成一种最低沸点的共沸混合物在78.2C和标准大气压下，在乙醇水溶液由于 生产发酵过程被稀释时可以不断纠正使达到最好的条件包括在89.4 mol%乙醇 和标准大气压

2、下。因此，用特殊工艺除去剩下的水是制造无水乙醇所必须的需。 各种生产无水乙醇的工艺已经被应用了。这些包括：（i）化学脱水工艺，（ii）通过真 空脱水蒸馏的工艺，（iii）共沸蒸馏工艺，（iv）萃取蒸馏工艺，（v）膜分离工艺，（vi） 吸附工艺和（vii）扩散蒸馏工艺。这些生产无水乙醇的工艺已经被不断改进由于对产 品数量和质量越来越严格的要求。文献对这些可用的工艺进行了评价。这些工艺 也都比较遵循能源需求的原则。目录介绍无水乙醇无水乙醇的材料糖的来源淀粉的来源1.2.3 .纤维素的来源1.3 .无水乙醇的应用无水乙醇和汽油的性质比较无水乙醇的需求及供应生产无水乙醇的工艺化学脱水工艺通过真空脱水蒸

3、馏的工艺共沸蒸馏工艺萃取蒸馏工艺萃取精馏液态溶剂萃取精馏可溶性盐萃取精馏用盐溶解在液态溶剂中膜分离工艺吸附工艺扩散蒸馏工艺其他工艺能源中对无水乙醇产品的需求总结参考1.介绍许多国家在这方面努力着包括印度在研究碳氢化合物燃料的替代品，比如汽油 （石油），柴油，等等。对可替代汽油和柴油燃料的需求主要考虑的角度是保护 全球环境和对长期供应的传统的以碳氢化合物为基础汽油和柴油燃料的担心。在 各种选择中，生物燃料已经成为一种混合汽油和柴油燃料组成。无水乙醇作为一 种目前被量产生物燃料。其它生物质燃料包括生物柴油和沼气。生物燃料是一种 术语用于描述生物质原料加工到一个更方便的形式的燃料。这是运输工具中最常

4、 用的液体燃料但是也涉及气态燃料和固态燃料像木质颗粒和煤球。生物质燃料的 应用在环境，能源安全和经济发展领域有好处。生物质燃料的利用替代了化石燃 料并且减少了与全球气候变化相关的二氧化碳的排放量。生物燃料是可再生植物 产生的这样可以使二氧化碳循环利用当生物质燃料消耗时。生物燃料在汽车引擎 中燃烧比较彻底而且可以减少多余物质的产生，特别是没有完全燃烧的烃类化合 物和一氧化碳。这些特征有助于改善当地的空气质量。生物燃料可以为国家提供 可利用的安全能源。生物燃料可以用当地的和整个地区的生物资源来生产并且因 此他们是相对独立于变化不定得国际政治局势的。国内生物燃料的生产也要国家 的保护通过减少净进口的

5、石油和帮助减少国际贸易失衡往往和石油进口有关。生 物燃料生物燃料为本地和地区创造发展机会；这样的事总发生在农村地区其他地 区非常有限。生物燃料在与现代车辆的相容性中提供了一个可以取代石油燃料为 运输工具的可能性。当前机动车使用技术允许消费者使用一系列生物混合燃料。 如今大多数新型机动车可以很好的适应混合大约20%的生物燃料和灵活燃料或 专用高浓度混合或整洁的生物燃料也都可用于商业化了。因此消费者有各种各 样的车辆可选择来使用生物燃料，这将变得很容易。生物燃料依赖生物技术且是再生能源的一个子集。不像其他可再生能源形式，生 物燃料是可以加入到生产的化学物质，根据类别称为白色生物技术，如图L；图.1

6、生物燃料：再生能源的一个子集1.1无水乙醇无水乙醇，也称为绝对乙醇，是一种澄清，无色和均匀液体是易流动的物质且 在15.6C时包含至少99.5%得乙醇体积。15.6C时，最大水容量，体积百分比， 由Karl-Fisher法测定为0.5。最大比重为0.7961。表1表明了印度汽车燃料中 对无水乙醇的需求。印度的标准IS： 15464-2004特别制作了变形剂禁用的一览 表，这个声明对燃料的稳定，汽车引擎和燃料系统有非常不利的影响。这些材料 在大多情况下也许不会用作汽车燃料就。它们是；甲醇，毗咯类，松节油，酮类 和焦油（化石和非化石植物质的高分子重解产物）。1.2无水乙醇的材料酒精是由生物质发酵产

7、生的。能源消费可能会在未来几年明显增加，主要在人 口密集区像印度，中国的南非。为了保证人口稠密区能够获得相似于工业国家的 生活标准，全球有效的资源都必须被利用。为了减少二氧化碳向大气的排放量和 满足增长的能源需求，乙醇从饲料基于整个植物界和生物量中生产出来。乙醇可 以用多种生物材料制备，有糖，淀粉或纤维素。以下是参与到生物质转换成无水 乙醇的各个步骤：转换成一个可用的生物质发酵原料（代表是各种形式的糖）。发酵的生物量的中间体使用生物催化剂（微型生物包括酵母和细菌）来制造 乙醇。处理发酵产品得到无水乙醇。Table 1印度规范的无水乙醇用于汽车燃料（IS:15464-2004） 8.1.相对密度

8、0 15.6/15.68C,最大0.79612.乙醇含量 15.6 8C, vol.%,最小（除变形剂）99.53.水混和性混溶4.碱性无5.乙酸含量，mg/L, 最大.306.蒸发残余，wt.%,最大.0.0057.乙醛含量，mg/L, 最大.608.铜，mg/kg,最大.0.19.导电性，mS/m, 最大.30010.甲醇，mg/L,最大.30011.外观澄清明亮特性要求1.2.1糖的来源乙醇可以由大量的碳水化合物制取（多糖）。最常见制取乙醇的多糖是蔗糖来自 甘蔗，甜菜和甜高粱。提取的甘蔗果汁含有水（84%）和糖（14%）。蔗糖的发酵采用 商业酵母如酒化酵母。化学反应是酶水解蔗糖发酵形成单

9、糖。首先，转化酶（一 种存在于酵母的酶）催化水解蔗糖使转变成葡萄糖和果糖。C H O （蔗糖）+ H O + C H 0（果糖）+ C H。（葡萄糖）（1）1222 112612 6612 6然后，另一种酶（酒化酶），也是一种酵母，使葡萄糖转换成乙醇和二氧化碳。C6H12O6+H2O-（酵母）-CH3COCOOH（丙酮酸）-C2H5OH（酒精）单糖（甘油醛，木糖，核糖，葡萄糖，果糖）包括单一糖和包含（CH2O）n通式 的，n=3-7。自然界中最常见的单糖是戊糖（n=5木糖）和己糖（n=6葡萄糖）。 一分子的二塘经化学反应（脱水合成）可以形成新的结合体，可被加工成两个单 糖脱水处理后。多糖已经分

10、解成二糖或单糖通过水解发酵。1.2.2淀粉的来源谷粒（玉米，水稻或大麦）主要提供淀粉。例如，玉米包含60-70%的淀粉。淀粉储存在谷物长链的a -葡萄糖单体中，1000或更长单体支链淀粉中。聚合物 的a -葡萄糖分解成葡萄糖通过葡萄糖淀粉酶水解反应。葡萄糖-淀粉酶（C6H10O5）n （淀粉）+nH2OnC6H12O6（D 一葡萄糖）产生的葡萄糖和D-葡萄糖是一种葡萄糖同分异构体。随后的酶进行水解，发酵、 蒸馏和脱水生产无水乙醇。1.2.3 .纤维素的来源植物包含的纤维质材料有纤维素和半纤维素。这些复杂的高分子组成了植物的 茎，叶，躯干，枝干和外壳。也有许多产品用这些材料生产的，比如，纸。纤维

11、 质材料中的纤维素与半纤维素里贮存着糖，但是他们在物理化学上比糖和淀粉更 难转变成储存材料。纤维素间的键断裂形成组成它的糖。半纤维素间的键更容易 断裂，但由此产生的糖很难发酵但由此产生的糖很难发酵。植物的复合木质素也 抵抗生物化学的转变。显著发展导致生化转换过程分解纤维素和半纤维素和热化 学转化过程分解木质素。同时，这些工艺可以为乙醇产品开启潜在的储存纤维素 材料的物质。木质纤维素，主要成分是植物的细胞壁，主要包含纤维素（40 - 60%的总十重 量），半纤维素（20-40%）和木质素（10-25%）。p -葡萄糖单元集合组成纤维素 束后构成了纤维素长链结构。半纤维素根据植物种类可能是木聚素或

12、木葡聚糖构 成的。主十链由P -葡萄糖单元构成，有部分木糖（5-c糖）也附呈上面。后者主要由 木糖和树胶醛糖或其它有不同于另一种生物量的资源构成的。半纤维素分子和微 原纤维以氢键相连接。木质素是酚类化合物是有三种不同单元聚合而成（香豆醇， 松柏醇和synapyl醇）。木质素增加了细胞壁的压力和硬度。纤维素经酶的水解 作用转变成单糖（单酶糖），用以下的工艺进行生产：稀酸的水解-水解作用在硫酸溶液（0.5 - -1%）且温度大约160 - 190 。时反 应大约10分钟存在两个阶段能够使半纤维素和纤维素的生物质最大化糖产量。 液体粉在每个阶段来中和和发酵成乙醇。稀酸水解可以用来从甘蔗蔗渣提取糖。浓

13、酸水解-这个过程是基于浓酸去晶体纤维素其次是稀酸水解为糖类。正努力 使把稻草转化为乙醇和含木质纤维素的成分固体废物转化成乙醇商业化。酶的水解作用-酶法水解纤维素是通过使用多种纤维素酶，它们通常是混合酶 群比如，纤维素内切酶，外切葡聚糖酶和6 葡糖甘酶在协同作用下攻击品体结 构的纤维素，从自由链结束中去除纤维二糖和水解纤维二糖产生葡萄糖。纤维素 酶由菌类，主要是里氏木霉，除了曲霉，Schisophyllum和青霉菌。为了减少纤 维素酶的花费，同步糖化发酵（S SF）工艺使纤维素转变成乙醇已经被引进了。 在同步糖化发酵工艺中，纤维素,酶和发酵微生物结合，减少了容器数量和提高效纤维素储存材料适合乙醇生产的包括以下：农业残留物农作物下脚料如小麦秸秆和玉米茎叶和外壳。林业伐木残留物和工厂残留物如木屑，锯末和纸制浆酒。-Grasses- Hardy，速生草本比如软植草专用于乙醇生产。市政和其他废弃物一一植物废物如家庭垃圾、纸产品，纸浆和食品加工废料。速生木本植物如杨树和柳树专门用于乙醇生产。这些储存材料比淀粉的和糖的储存材料有许多