2万吨每年燃料丁醇发酵工段工艺设计 开题报告

透孚石汕化工大學毕业设计开题报告课题名称:2万吨/年燃料丁醇发酵工段工艺设计班级：生工1001学号：名：指导教师：―、文献综述1选题依据及研究背景正丁醇(n-butanol,1-butanol)是一种无色透明液体，有酒味，分子式CqHg0,分子量74.12，沸点117.25°C，熔点-88.9°C，相对密度0.8098,与水的溶解度较低，混溶于乙醇、乙醚等多种有机溶剂，易燃、有毒。正丁醇是一种极其重要的溶剂，同时也是国防工业和有机化学工业的原料。正丁醇可用作高级喷漆的溶剂和稀释剂；是制药工业、染料、金属清洁剂、油漆除去剂、多种树脂、胶类、油类、蜡类、油墨、脱水剂、复写纸混合剂等的溶剂；也是制造邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、乙酸丁酯、丙烯酸丁酯(BA)、乙二醇醚、丙酸丁酯、丁酸丁酯、二甲基苯胺、丁酸、丁醛等化学工业产品的原料。近年来，随着石油资源的枯竭，原油价格的持续走高，丁醇作为一种极具潜力的新型生物燃料而得到广泛的关注。2•我国发展正丁醇的原因面对日益严峻的排放法规限制，清洁的燃料为世界各国所需求，各国认为清洁能源是解决能源问题和环境问题的解决手段之一。欧洲新购置的汽车一半以上为柴油汽车。中国最近出现的柴油荒和柴油问题严重限制了柴油汽车的推广与使用,［1咽此柴油的清洁替代能源的使用已经迫在眉睫，而且要求替代能源在清洁［2］的同时必须安全，低成本，且降低排放量的作用。生物丁醇作为第二代能源完全符合上述条件，其含氧量高，与柴油可以任意比例互溶，粘度大，热度高，气化潜热少，不易挥发，为世界各国所青睐。国内外针对丁醇的生产工艺,［3］应用前景，⑷可持续性，可替代性,［6］以及丁醇柴油的混合燃料的燃烧特性［7-9］.发动机性能［10-12］和排放特性［13-15］做了较多工作。生物燃料的推广是避免CO2排放继续增大和缓解现阶段石油能源危机的有效途径。目前使用的生物燃料主要是将生物乙醇与汽油按照不同的比例混合而成。然而，与乙醇相比，丁醇具有更多的优势［16］。首先，丁醇在水中的溶解度比乙醇小得多，因此不像乙醇那样具有腐蚀管线的倾向,可以在利用炼油厂原有设备，在厂里混合和用管道运送。其次，丁醇与燃料添加剂和润滑油配伍性更好，不必像乙醇只能在分销终端进行混合。对于用户来说，丁醇有较高的能量含量，可更方便地与汽油混合,同时可调入更高浓度，既不需要车主购买特殊车辆,也不必改造原有车辆发动机，而且这种新型燃料更环保。所以生物丁醇相对于其他燃料具有更广阔的发展前景。目前杜邦正在开发工程性微生物,以及用作新技术的催化剂，以便提高发酵设施能达到的丁醇产率和浓度。而英国也计划利用英格兰东部的甜菜生产生物丁醇，并将其与传统汽油混合，用作车辆驱动燃料。计划在2010年使生物燃料销售份额到占所有燃料的5%,到2015年占10%[17-18]。因此，正丁醇的开发和应用对实现可再生资源的能源化具有重要的意义3•我国发展正丁醇的意义推动农产品转化，带动农民增收，实现农业可持续发展，推广正丁醇的生产，可以有效解决富余农产品转化问题，稳定和提高农产品价格和农民收入，形成一个长期、稳定、有效、繁荣的农产品消费市场，实现农业增产■消费-增收-刺激再生产的可持续发展。符合农业发展低碳经济的要求，近年来，正丁醇的生物制法取得了重大突破，正丁醇以其热值高、着火温度接近汽油等良好的物理化学性能引起了科研人员的关注。符合农业发展循环经济的要求物质的循环流动和利用在燃料丁醇的整个生产过程中也处处得到体现。4•正丁醇的制法上文叙述了丁醇作为燃料的诸多优点，下面讲述燃料丁醇的种类和制备方法。工业上有三种常用的生产丁醇的方法。1.发酵法：以谷物淀粉作为原料，经过丙酮丁醇梭菌发酵后，经发酵液的分离，纯化等一系列手段而获得目标产品一正丁醇。2•乙醛缩合法；两个乙醛分子经缩合后脱水，可制得丁烯醛，丁烯醛在催化加氢后可以制得正丁醇。3.羰基合成法：丙烯、一氧化碳和氢气在加压加温及催化剂存在条件下羰基合成脂肪醛，再经加氢、分馏分离制得正丁醇，这是工业上生产丁醇的主要方法。生产丙酮、丁醇的梭菌分为淀粉分解梭菌(Clostridiumacetobutylicum)和糖化梭菌(inckii、Clostridiumsacharoperbutylacetonicum)和)Clostridiums(Clostridiumber—charobutylicum)[19-20]。其中，由于第一种菌种细胞中含有淀粉酶，因而不需要糖化就可以直接发酵淀粉；第二类菌种为严格厌氧菌，多用于糖质原料的发酵。可以用核糖体工程选育丙酮丁醇菌提高丁醇产量也可以使用硅橡胶渗透汽化复合膜发酵丁醇•还可以使用基于PH调控的渗透汽化原位分离耦合的丁醇发酵。4」使用核糖体工程选育丙酮丁醇菌发酵丁醇核糖体是微生物进行蛋白质合成的重要细胞器，与胞内代谢活动、基本生理过程密切相关。核糖体发生突变将严重影响胞内物质的代谢。核糖体工程技术是近几年发展起来的微生物育种方法。通过向微生物核糖体组分(核糖体蛋白和rRNA)引入点突变，调控代谢系统，诱导或刺激代谢产物的表达，获得代谢产物合成能力提高的突变菌。[19-20]通常使用链霉素、氯霉素、庆大霉素、卡那霉素等抗生素诱变微生物，使其核糖体发生突变。核糖体工程技术具有较好的诱变效果，目前主要用于提高微生物代谢物的产量及化学耐受程度等。Kurosawa等以枯草芽胞杆菌Bacillussubtilis168为出发菌诱变获得链霉素突变株，其a-amylase和protease产量提高了20%~30%。Hosokawa等对恶臭假单胞菌PseudomonasputidaKH146.2进行链霉素、利福平和庆大霉素的抗性诱变，筛选得到的抗生素突变株对4-羟基苯甲酸丁酯耐受程度由出发菌的0.8%提高到5%。与其他诱变育种方法相比，核糖体工程简单易行，无需特殊设备便于大量筛选。在所使用的抗生素中，链霉素诱变效果较好，正突变和增产率较高，且其抗性突变在诱变育种中应用较多。4.2使用PDMS/PVDF复合膜来分离丁醇对复合膜进行分离性能测试的实验装置如图1所示，用来测试的膜的有效面积为4.2X10m，模拟液中丁醇、丙酮和乙醇的质量分数组成同发酵液中的组成［总有机物质量分数为1.7%，m（丁醇）m（丙酮）：m（乙醇）=6：3：1］。测试过程中，料液在一定的温度下以0.6L/rain的流速通过膜的上游，膜下游真空度控制在0.3kPa，渗透液用液氮冷凝收集。所制备的PDMS/PVDF复合膜能够应用率，并且实现了丁醇的初步浓缩。用到丁醇发酵过程，有效地将丁醇从发酵液中分离出减轻丁醇对菌体的抑制，提高了生产强度和原料利4.3基于pH调控的渗透汽化原位分离耦合丁醇发酵方法渗透汽化是利用极性低、表面能小的橡胶态聚合物制备的疏水性膜，将挥发组分或有机组分有选择性地在膜内汽化透过并被浓缩回收，而营养物质、糖以及细胞等被截留的一种分离技术，具有选择性好、清洁无污染、分离条件温和等优点J。将该技术与发酵过程耦合，可提高发酵产率及底物利用率，并可同时实现产物的富集和回收，降低发酵成本j。Quires等将渗透汽化膜与间歇发酵直接耦合，对ClostridiaumberancidBA101发酵无消极影响。Gang等将PDMS材质的渗透汽化膜与丁醇的间歇及补料分批发酵相耦合，丁醇被移出，葡萄糖消耗速率显著提高。Qurush等18］将渗透汽化分离与补料分批发酵技术耦合，渗透液中的ABE质量浓度达到165.1g/L。5•木质纤维素生产燃料丁醇工艺的研究进展木质纤维素主要由纤维素、半纤维素、木质素3部分组成。纤维束之间充满了半纤维素和木质素，其间存在着不同的结合力。纤维素和半纤维素、木质素问的结合主要依赖氢键，而半纤维素和木质素问除了氢键还存在着其他的化学键。半纤维素和木质素填充包裹着纤维素，大大降低了纤维素酶的可及性。纤维素是由D-葡萄糖通过旷葡萄糖苷键连接而成的多糖束，分子式以(C6Hio05)n表示，(n为聚合度)。纤维素分子中的羟基易和分子内或相邻的纤维素分子上的羟基间形成氢键，这些氢键使很多纤维素分子共同组成结晶结构并进而组成复杂的微纤维、结晶区和无定形区等纤维聚，合物。半纤维素是由D-木糖、D-阿拉伯糖、D-甘露糖、D-半乳糖、D-葡萄糖等结构单元组成的高分枝非均一聚糖。各种糖所占比例随原料不同而变化，木糖含量占半纤维素的一半以上。半纤维素排列松散，无结晶结构，易被水解成单糖。木质素是由苯丙烷及其衍生物为结构单元，以三维立体形式结合而成的化合物，具有一定的塑性，不溶于水，一定浓度的酸、碱可使其部分溶解。木质素不能水解成单糖，对酶与纤维素的结合有空间位阻的作用，在底物的酶解和预处理过程中，木质素的脱除率成正相关。有效的预处理可以去除木质素和半纤维、破坏纤维素的结晶结构，使酶容易结合在纤维素上。预处理需满足如下条件：①提高酶结合率；②避免糖的降解和损失；③避免对发酵有抑制作用的副产物的产生；④性价比高。预处理方法分为物理法、化学法和生物法。有些处理兼用其中的几种方法。渗透汽化作为一种新型的膜分离技术，与其它分离技术相比，不仅具有高效、节能和环保的优点，而且在与发酵过程耦合的过程中，不会移除培养基中的营养物质，并且对微生物没有毒害作用.此外，对于后续的丁醇-水共沸物的分离，渗透汽化与传统的共沸精馏相比也具有明显的技术上和经济上的优势。6•正丁醇的发展前景目前，新型生物燃料占全球运输燃料市场的份额不足2%。根据当前的预测，生物燃料在未来运输燃料结构中将占有重要比重，在主要市场中可望达到20%〜30%,由于生物丁醇生产与乙醇生产采用相似的工艺，现有的乙醇生产设施经过改造便可转而生产生物丁醇，因此生物丁醇的市场潜力巨大。国家能源供应多元化是国家能源策略的一个重要方面，在世界未来的能源结构中，可再生生物能源将是能源利用的主体之一。丁醇作为一种新型生物燃料，随着丙酮丁醇发酵工业上游和下游工程技术的完善,必将以其特有的优势在生物燃料市场中发挥重要作用。针对世界各国大力开发新型生物燃料的现状，我国只有认清形势，鼓励发展性能良好、环保安全的诸如生物丁醇、生物柴油等类的生物燃料，方能有效应对能源危机，减少环境污染，提高国家能源安全，实现能源多元化发展，满足国内外市场对生物燃料的需求。鉴于国外生物丁醇技术知识产权和专利的限制，我国需要因地制宜，广泛利用价廉、丰富的木质纤维素资源，改良丁醇发酵菌种，采取有效的回收技术，革新生物反应器，在掌握丁醇发酵代谢机理的基础上，运用代谢调控理论和发酵工程技术,切实提高丁醇产量和产率,降低生物燃料丁醇的成本，力争早日实现其规模化生产。参考文献[1]李王健.2010年成品油市场回顾与2011年展望〜DB/OLJ[2]曾现军.丁醇作为车用替代燃料的研究进展[D].北京：北京交通大学土木建筑工程学院，2007[3]顾阳，蒋字，吴辉，等.生物丁醇制造技术现状和展望[J].生物工程学报，2010,26(7)：914尧命发，庞阔，谷静波，郑尊清，王鑫等.正丁醇/生物柴油高预混压燃燃烧及排放特性的试验[J].小型内燃机与摩托车，2012,41(1)：76weiskirchC，KaackM,BleiI.eta1.Alternativefuels.Rosemont：SAE,2008：2008.012507MateZ61dy,AndrasHollo，ArturThernesz.Experimentalstudyofn-butanoladditiononperformanceandemission三withdiesellowtemperaturecombustion[C]//SAE.Detroit：SAE，2010：2010一01.0481刘字，李君，高莹•生物柴油-柴油-丁醇燃料喷雾与燃烧过程可视化实验[J]•吉林大学学报：工学版，2011，41(7)：34RakopoulosDC，RakopoulosCD，PapagiannakisRG，eta1Combustionheatreleaseanalysisofethanolorn一butanoldiese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