能源微生物学的课件

第二章生物炼制与可再生资源在化石能源资源渐趋枯竭和环境压力越来越大的背景下，21世纪将是可持续和多元化的清洁能源世纪。2006年5月在德国首都柏林举行的“面向21世纪的生物燃料”国际会议也指出，发展中国家应主要通过发展生物燃料满足能源增长需求，促进农村经济发展，并向发达国家出口生物燃料。为了实现人类社会、经济的可持续发展，进一步建立人与自然的和谐关系，从根本上改变目前重点依赖化石原料的制造加工工业的生产模式，发展以农村生物质为原料的生物炼制产业是解决人类所面临的资源、能源和环境问题的唯一途径。2.1石油炼制到生物炼制2.1.1石油炼制石油炼制以不可再生的化石资源（石油、煤炭、天然气等）为原料，以化学催化剂为手段，实现物质的彻底、多元化转化（图2.1）。这一模式受到化石原料的严重制约而终将被新的工艺所取代。图2.1石油炼制工艺常压蒸馏减压蒸馏催化重整芳烃抽提芳烃分离轻汽油馏分富氢气体汽油组分苯甲苯二甲苯催化重整延迟焦化减压渣油重馏分减压馏分重柴油馏分气体分离石油产品精制吸收轻柴油馏分煤油馏分裂化气焦化气炼厂干气丙稀丙烷丁烯丁烷裂化汽油裂化柴油直馏柴油直馏煤油直馏轻柴油焦化汽油焦化柴油石油焦常压渣油原油2.1.2生物炼制——新型经济产业的缔造者生物炼制以现代石化工业为模板，采用类似于流化催化裂化、热裂解和加氢裂解等集成化平台技术，用先进的预处理和酶水解等生物平台技术将生物质转化为各种糖类，再通过糖平台技术转化为大宗生物乙醇产品和各种高附加值中间体化学品，生产出燃料乙醇、生物柴油等新型能源、聚乳酸等新型生物材料和糠醛等几乎所有的生物基化学品类型（图2.2）。图2.2生物炼制工艺生物炼制农业初级炼制工业炼制生物质（纤维素、淀粉、蛋白质、动物粪便等）生物质转化糖类木质素蛋白质脂肪其他物质糖和木质素合成气生物气水解酸解、酶解气化高温、低氧消化细菌高温分解催化、加热、加压生物油萃取机械、化学分离机械、化学碳素链种植肥料燃料：乙醇生物柴油生物氢能源：发电产热化学品：塑料溶剂药品中间产物酚醛塑料保健品黏合剂糠醛脂肪酸乙酸黑色颜料油漆染料色素墨水清洁剂等食品和饲料：乳酸柠檬酸等——生物炼制可以被分为生物质生产地区类型和废弃材料使用类型两种。在巴西、美国、中国、东南亚和澳大利亚这些国家和地区大量种植甘蔗、玉米、甜菜、木薯、西米椰子和土豆等用于生物炼制，用农业产品发展新工业。相对的，在缺少空间堆积垃圾和有机质并且没有足够多的农业产品的日本和一些欧洲国家，生物炼制起着废弃物处理和有用产品的生产的双重作用，旧报纸、林业废弃物、动物粪便和食品废弃物为生物炼制提供了原始的材料。——微藻是一类在显微镜下能辨认其形态的微小藻类类群，目前已经可以进行大规模培养。许多微藻中富含蛋白质、多糖、油脂、类胡萝卜素和不饱和脂肪酸等多种有用成分，是人类重要的生物质资源宝库。微藻的生物炼制如图2.3所示。微藻细胞光O2水或废水无机盐气体藻类H2CO2CO2工业医用生物能源微藻油脂微藻多糖微藻蛋白微藻色素维生素微藻酶抗生素生物饲料（肥料）医药食品生物沼气生物制氢生物柴油图2.3微藻的生物炼制示意图——木质纤维素数量巨大、来源广泛、可再生，是生物炼制的重要原料。玉米秸秆是其中非常易于得到的一类，秸秆中92.5%的总糖可以通过对玉米秸秆稀酸预处理和酶水解获得，经过炼制可以生产几乎所有我们需要的化学品和能源（图2.4）。木质纤维素给料（LCF）谷物（稻草、糠），木质纤维素生物质（芦苇、芦苇草），林业生物质（灌木、木材），造纸和纤维素业固体残渣木质纤维素（LC）木质素(酚类聚合体)半纤维素(戊糖，己糖)纤维素(葡聚糖)木糖植物胶（增稠剂、黏合剂、防护剂、乳化剂、稳定剂）纤维素葡萄糖发酵产品（燃料：乙醇有机酸：乳酸溶剂：丙酮、丁醇等）天然黏合剂低沥青木炭固体燃料（富含硫）铁石棉（糖的替代品）糠醛尼龙化工产品呋喃树脂5-羟甲基糠醛乙酰丙酸润滑剂软化剂、溶剂化学品和聚合物图2.4木质纤维素的生物炼制示意图2.2生物炼制基本内涵生物炼制的过程就是对原料的生物转化和化学品合成的过程，其中主要包括生物工程、化学工程、分离工程及过程控制工程等。生物炼制针对生物质原材料、工业媒介及最终产品三部分联合了所必需的技术。2.2.1生物工程生物炼制是以生物转化为主要的生产过程，它是以生物质（主要为纤维素、淀粉等）为原料，经过微生物的生物体实现物质的代谢转化得到人类所需要的化学品。具备高转化率和高耐受性的菌种是该过程的主要影响因素，引进和培育高效转化生物是今后工作的重点之一。2.2.2化学工程化学工程已经广泛地应用在当前生物炼制的工艺中，美国能源部实施的6个生物炼制示范工厂中最先投入工业化实验运行的是位于美国内布拉斯加州的乙醇生产厂，这个年产1500t的工业示范装置中所使用的纤维质原料预处理技术是美国国家可再生能源实验室的稀酸法，即用化学方法先对原料质进行预先的处理过程。事实上不仅在预处理中，在化学品的分离及提纯过程中化学工程都是必不可少的。2.2.3分离工程生物转化后得到的物质必须经过进一步的分离纯化才可以成为商品，离子交换法、吸附法、色谱法等都是当今生物炼制行业常用的分离方法，其中，生物反应器工程贯穿于生物过程与分离过程始末，在糖工业和甜味料行业用处广泛。合适又巧妙地运用分离过程可以在很大程度上减少生产的成本。2.2.4过程控制工程过程控制工程是对整个生物炼制工艺的控制要求，它涉及各个环节中的设备控制参数及环节间结合匹配的控制要求。过程控制是实现产业化必须解决的难点之一，在保证各个环节实现最大转化率的同时，稳定而又高效的整体控制是进行产业化的前提和关键。2.3生物炼制发展现状2.3.1生物能源

世界各国很早就已经认识到化石资源带来的未来能源问题，美国2002年制定了“生物质技术路线图”，并计划2020年使生物质能源和生物基产品较2000年增加10倍，达到全国能源总消费量的25%（2050年达到50%）。2.3.1.1燃料乙醇20世纪70年代第二次石油危机之后，世界各国为减少对石油的依赖，纷纷开始研究乙醇汽油。目前这一领域的领跑者是美国和巴西，巴西更是唯一在全国范围内使用乙醇汽