乙醇含量计算方法的改良

乙醇含量计算方法的改良第1页，课件共19页，创作于2023年2月Contents生物乙醇及其分类

纤维素乙醇的传统计算纤维素乙醇改良算法

纤维素乙醇的前景

4123目录第2页，课件共19页，创作于2023年2月纤维素乙醇

什么是纤维素生物质？纤维素生物质是由纤维素（30-50%），半纤维素（20-40%），和木质素（15-30%）组成的复杂材料。纤维质生物质中的糖以纤维素和半纤维素的形式存在。纤维素中的六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样，可以用传统的酵母发酵成乙醇。而半纤维素中含有的糖主要为五碳糖，传统的酵母无法经济地将其转化为乙醇每一种植物的确切成分都不尽相同。纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，是地球上最丰富的分子。第3页，课件共19页，创作于2023年2月生物乙醇定义及其分类生物乙醇是以生物质为原料，通过微生物发酵而生产的一种可再生能源。生物乙醇的分类第一代生物乙醇：利用粮食，比如，在美国是用玉米，在巴西是用甘蔗等等生产乙醇等生物能源。第二代生物乙醇：利用非粮食生物质生产乙醇（cellulosicethanol）。来源是秸秆、稻壳、树木枝叶、甘蔗渣等等第三代生物乙醇：利用藻类（如海藻活淡水藻类），通过对藻类进行养殖，等长成之后进行收获晒干，然后通过酵母菌发酵生产乙醇。第四代生物乙醇：是一个创新，它是通过对藻类进行改造而生产乙醇。例如对蓝藻进行改造，使其通过光合作用吸收二氧化碳直接生产乙醇、副产物以及氧气。第4页，课件共19页，创作于2023年2月传统纤维素乙醇算法传统生产过程中计算乙醇含量是基于液体体积在生产前后不变的条件下，具体算法如下公式：

其中[ETOH]o和[ETOH]f分别表示反应前后液体中乙醇浓度（g/L），0.511和1.111分别表示葡萄糖转化为乙醇的转化率和纤维素转化为葡萄糖的转化率。第5页，课件共19页，创作于2023年2月传统算法的局限性然而，在密闭的同步糖化和发酵体系中，通过冷淋器的作用，大量的气态液体回流，以及随着液态乙醇的生成而增加以及纤维素原料的水解过程水的消耗而降低，这致使总的液体体积始终在改变。实际的生产过程中由于高效价乙醇生成的质量大约是纤维素降解过程中水消耗质量的5倍，从而导致液体体积的巨大改变，传统算法使[ETOH]f比实际要小，进而算的乙醇体积比实际的含量要低的多。第6页，课件共19页，创作于2023年2月改良算法改善方法的基本思路和出发点就是把乙醇的浓度从g/L转变成g/g，继而从乙醇和水质量的平衡来建立精确地计算方法。根据Lange的化学手册，在15.6℃条件下，基于g/L转化为基于g/g的转换公式为：[C2]=1.0236×10-3×[C1]=其中[C1]、[C2]分别表示基于体积和质量的浓度。水的消耗与乙醇的生成的质量关系如下：(C6H10O6)n+nH2O-nC6H12O6-2nC2H5OH-2nCO2第7页，课件共19页，创作于2023年2月剩余水的质量由公式可知nmol水生成2nmol的乙醇。现在假设有E（g）的生成，过程中加入W（g）水，消耗W1（g）水则W1（g）=那么过程中剩下的水质量为W-（g）由于CO2尾气收集发现几乎不随时间变化，故CO2的释放忽略不计。第8页，课件共19页，创作于2023年2月改良计算发放推导[C20]=其中[C10]（g/L）和[C20]（g/g）分别表示基于体积和质量起始乙醇的浓度。E0表示同步糖化和发酵体系中乙醇的起始质量，则E0=[C20]×W=最终的水和生成的乙醇质量之和为E+E0+W-（g），此时乙醇基于质量的浓度为[C2]=从而推导出改进的公式E=第9页，课件共19页，创作于2023年2月Practicalethanolyield（%）进而最终Practicalethanolyield（%）=此公式只做了一个假设：存在于发酵液中的残糖、抑制剂以及其它一些盐类对于混合后水和乙醇体积的缩减影响不大。在实际同步糖化和发酵过程中，发酵液中这些物质的浓度很低，如1L发酵液只含10g残糖、几乎没有抑制剂存在，所以这样的假设是合理的。第10页，课件共19页，创作于2023年2月如果起始的乙醇含量忽略不计，那么上式可以简化成：Practicalethanolyield（%）=

实验的结果意味着基于乙醇质量守恒的算法是有根据的和有效的。发酵过程中乙醇会存在于固态基质以及液态的水中，但在基于乙醇质量守恒计算过程中对于乙醇存在于两相不作考虑。因此，主要存在于液相的乙醇可以用来近似代替同步发酵和糖化过程中总的乙醇含量。

在发酵过程中固相有大约90%的木质素（不吸水）和10%的纤维素、半纤维素（吸水）。但是通过对木质素的深度处理能使活性基团钝化从而不再吸附乙醇，进而计算结果更加精确。

对于装载不同固体基质的同步糖化和发酵研究发现：随着固体内含物和酶量的增加，传统计量误差会增加，相应的改进方法愈加精确。只考虑到用于乙醇发酵的大多数菌株都只会将葡萄糖代谢转化为乙醇，所以以上的研究只关注纤维素代谢成乙醇的转化率。但是，当木糖代谢菌株用于乙醇发酵时，我们需要建立一个更广泛和通用的公式来精确计算。第11页，课件共19页，创作于2023年2月纤维素乙醇的前景随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。被纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。用秸秆等农作物废弃物制备生物乙醇以取代化石能源的使用，一方面可以减少二氧化碳的排放，另一方面可以减少石油等化石能源的消耗。而在原料的采用上相对于使用玉米等粮食为原料的一代生物质能，使用秸秆等原料更胜一筹。这些都使得生物乙醇将拥有一个闪耀的未来。第12页，课件共19页，创作于2023年2月第13页，课件共19页，创作于2023年2月第14页，课件共19页，创作于2023年2月第15页，课件共19页，创作于2023年2月第16页，课件共19页，创作于2023年2月第1