生物质乙醇的分离提纯讲解.docx

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生物质乙醇的分离提纯讲解

华东理工大学2014－2015学年第2学期

《传质学》课程论文

班级化工126学号10120517姓名王文璞

开课学院化工学院任课教师金浩成绩

论文题目：

生物质乙醇的分离提纯

论文要求：

教师评语：

教师签字：

2015年7月8日

生物质乙醇的分离提纯

摘要：

国内国际能源形势不断恶劣，生物质乙醇作为理想的可再生替代能源得到了广泛关注。

乙醇的生产中，分离操作事关产品质量与应用。

本文总结了生物质乙醇现有的分离提纯工艺，对生物质乙醇工业的发展提出了展望

关键词：

生物质乙醇，分离，能源

1生物质乙醇的生产

1.1生物质乙醇的优势

近年来，全球各国出于加强能源安全、减少温室气体排放和促进农业发展等多方面的考虑，积极促进和扶持生物液体燃料（生物乙醇与生物柴油）发展。

据统计，全球生物乙醇与生物柴油的产量分别从2000年的45亿加仑和2亿加仑，上升到2007年的131亿加仑和26亿加仑。

随着全球第一代生物液体燃料（主要以玉米、甘蔗和大豆等传统作物为原料）发展规模的迅速扩大，其发展对农产品价格、农产品国际贸易、粮食安全、农民收入与贫困、以及环境等方面的影响开始逐步显现。

中国能源消费量巨大，其中人均石油占有量仅为世界平均的1/16，而人均石油消耗量则是世界平均水平的1.1倍，可谓能源形势严峻，一旦产生能源危机，势必影响我国的经济发展。

而中国也是一个农业大国，仅秸秆而论，以秸秆为形式存在的生物质年产达10亿吨，若能全部转化为生物质乙醇将可达3亿余吨石油当量，十分可观。

因此，在中国发展生物质乙醇工业有着巨大的意义。

1.2生物质乙醇的生产应用

生物质乙醇的生产一般分为预处理，发酵，分离提纯三个主要工序。

1.2.1预处理

利用生物质原料制备燃料乙醇的工艺主要有3步：

预处理，水解，发酵。

预处理过程的二亩地就是瓦解木质素和半纤维素的保护结构，打破纤维素本身的晶体结构，是指在后续酶水解的过程中可以充分的与酶接触，取得较好的糖化效果。

1.2.2发酵

经预处理后的物料进入反应器进行糖化和发酵，即将木质纤维素经糖化转化为多糖后，进行发酵产生乙醇。

1.2.3分离提纯

发酵过程中有大量的水、未反应的多糖质、纤维质等杂质，而乙醇又会与水形成共沸物，这是目前分离提纯过程中需要面对的难点。

将乙醇从共沸物中分离出的方法有渗透蒸发法、渗透法、蒸馏法、分子筛吸附法、有机溶剂萃取法等。

1.2.4生物制乙醇的综合应用

随着生物乙醇工业的发展，合理利用生物乙醇具有广阔的前景。

近年来，利用生物乙醇获得高附加值产品的研究已经引起了国内外学者的关注。

现今主要的以乙醇为原料的研究及工业生产涉及乙醇制醚、乙醇制丁醇、乙醇胺化反应、氧化反应、脱水制烃类物质、烷基化反应、羰基化和作为燃料使用等方面的应用。

2生物质乙醇的分离

2.1生物质化学品的分离难点

使用生物质生产乙醇等化学品可有效减少生产过程中的原料成本，但是随之而来的是分离成本的提高。

而在提纯分离中存在以下难点：

（1）发酵液成分复杂一般发酵液中含有数百种成分，包括发酵微生物细胞及细胞碎片、培养基成分，还有其他多糖、蛋白质等代谢产物。

同时这些杂质的组成并不稳定，不同批次间存在差异，给分离带来了相应的困难。

（2）目标产物浓度低乙醇发酵液中乙醇浓度一般仅为10%左右，而将其提纯至95%的操作费用就占成本中70%以上，要提纯至99%以上还需要更多的费用。

（3）产物和副产物相似生物发酵过程复杂，许多副产物与产品性质太过相似，给分离带来了更大的困难。

2.2现有生物质乙醇分离技术

发酵液的分离是生物质乙醇分离工艺中的重要步骤，经过这一步处理后，产品液体才能变成均一、澄清的液体，进而才能进行进一步的精馏、萃取、吸收等单元操作。

微生物或动植物细胞在合适的培养基、PH值、温度和通气（或厌气）等发酵条件下进行生长和合成生物活性物质，在其发酵液中包含了菌（细胞）体、胞内外代谢产物、胞内的细胞物质和剩余的培养基残分等，不管人们所需要的产物是胞内还是胞外的，都要首先进行发酵液的预处理和分离，才能进行后续操作。

常见的分离方法有：

离心机沉降分离、过滤、膜分离、双水相萃取、扩张床吸附。

2.3乙醇脱水工艺简介

由于共沸体系的存在，使得乙醇水不能由普通精馏直接制得。

工业上常用的生产无水乙醇的方法可分为以下3类。

2.3.1精馏法

主要应用的有萃取精馏、加盐精馏和共沸精馏。

这3种方法的共性特点是都需要向乙醇和水的共沸体系中加入另一种物质，以达到突破其共沸点的效果。

因为有更多的分离方法被研发出来，人们对精馏法的关注程度有所下降。

但是由于近年来离子液体受到越来越多的关注，而且其可以作为一种添加剂用来改变或消除乙醇和水的共沸点，这使得用精馏法制备无水乙醇又得到了广泛的关注。

2.3.2膜分离法

主要分为渗透汽化（PV）和蒸汽渗透（VP）两种。

两种过程都是水分子和乙醇分子先在膜表面溶解，再在推动力（大部分为压力差）的作用下在膜中传质。

分离的原理是依据不同分子的溶解扩散速度不同，而PV和于前者是液体进料，后者是气体进料。

膜分离研究的重点在于膜的改性，使其拥有更高的选择性和更大的通量，同时还要保证拥有良好的机械强度。

膜污染问题是降低膜性能的原因，也是阻碍膜法制备无水乙醇工业应用的一个重要原因。

2.3.3吸附分离法

主要可以分为两种途径，即直接对乙醇水液相混合物进行分离的液相吸附，以及对乙醇水混合物汽化后再进行分离的气相吸附。

由于吸附分离法操作简便、不用引入其它物质、能耗较低、产品品质较好等特点，使其在工业中慢慢取代了精馏法，得到了广泛的应用。

无论对于哪一种吸附途径，吸附剂都是吸附分离的重要部分，决定着吸附分离操作的效果与效率，所以对于吸附工艺的研究主要集中在开发吸附效果更好的吸附剂方面。

目前吸附剂的种类主要包括分子筛和生物质吸附剂两大类

2.3.3.1分子筛

分子筛是一类具有骨架结构的颗粒物料，其工作原理是根据乙醇和水分子大小的不同而产生的位阻效应，选择性的吸附水分子。

因为乙醇和水分子的直径分别不同，分子筛可以保证水分子可以进入到分子筛内部而乙醇分子会被排除在外。

分子筛吸附由于操作简便，不使用任何有污染的添加剂，产物的品质较高并且能耗低于其它乙醇脱水工艺的特点而得到迅速的发展。

但其本身还是有一些不足，如为了使分子筛重复使用，在工业应用中必须对已经吸附失效的分子筛进行脱附操作。

2.3.3.2生物质吸附剂

基于有机生物质的吸附剂被称为生物质吸附剂，其被普遍的认为是一种大量存在于自然界、工业副产物、废弃材料或农作物的经济有效的吸附剂。

近些年来，淀粉类物质作为广泛存在的可再生聚合物，由于其生物可降解性、低毒性和较好的稳定性，使其在生物材料领域得到愈来愈多的发展和应用。

生物质吸附剂除了拥有同分子筛一样的低吸附能耗以外，还有很多其自身特有的优势。

比如生物质吸附剂的成本比较低廉，分离效果较好并且再生需要的能耗要小于分子筛。

甚至当所用吸附剂与生产燃料乙醇的原料相同时，可不需要对吸附剂进行再生处理，直接将失去吸附活性的吸附剂放入发酵环节或直接作为饲料，省去再生所需能耗。

2.3.4渗透蒸发膜技术在乙醇/水体系分离中的应用

图1为美国MTR公司采用连续发酵．渗透蒸发一精馏耦合工艺生产燃料乙醇的流程示意图。

一般采用优先透醇渗透蒸发膜在第l步与发酵过程相耦合；将所得质量分数约22%的产物乙醇经精馏塔蒸馏提浓到质量分数94％；采用优先透水渗透蒸发膜在第3步制备无水乙醇。

在这一典型的无水乙醇生产工艺中，渗透蒸发膜分离技术在第1步和第3步得到具体应用。

存在问题与发展趋势:

与乙醇发酵相耦合的膜渗透蒸发工艺，可直接将乙醇从发酵液中脱除，并能保证乙醇发酵过程能维持在高效状态。

但目前指导膜材料的选择和设计方面的理论尚不够完备，且影响膜分离性能的因素较多，渗透蒸发膜分离技术用于乙醇的提浓工艺的工业化应用还有较长的路要走。

采用渗透蒸发膜技术制备乙醇是行之有效的高效、低能耗和环保的方法。

目前我国应加强其工业化应用研究：

研制高性能渗透蒸发复合膜；构造新型膜反应器；改善膜反应器的流体力学性能以保证良好的对流传质；强化冷凝装置效率以提高工艺的综合经济效益。

在理论方面探讨发酵一渗透蒸发膜技术耦合机理，解决膜传质动力学问题。

随着新型膜材料的不断开发，高效膜分离技术的不断出。

3未来发展展望

随着生物技术的发展，包括生物质乙醇在内的生物化学品得到了越来越多的关注，相关提纯分离技术也不断更新。

正在开发中的新型双水相萃取、扩张床吸附分离等技术也具有广阔的前景和应用空间。

为了实施可持续发展战略．开发可再生的清洁能源已成为人类迫切需要解决的难题。

在我国，生物能源的研究起步较晚．但经过近年来的发展，生物能源如生物乙醇、生物柴油和生物质颗粒燃料等已经得到长足发展。

随着科研的深化，政府配套政策的不断完善以及宣传力度的不断增加，相信未来生物质能源产业在我国将得到蓬勃发展。

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学习体会

这是我大学阶段学习的第二门双语课程，在双语的教学环境下，我感到受益良多。

去年我修习了双语物化，当是有出于好奇和好胜的心理，想挑战一下自己的能力。

结果发现，自己完全有能力听懂老师用英文授课、讲解。

所以今年就毅然决然的选择了双语的传质学，这样一门同样重要的学科。

三传一反，传质（masstransfer）、传热（heatexchange）、传动（momentumtransfer）和化学反应（reaction），这是化工的核心，也是老师在课堂上强调的。

明年我要去英国读书，在国内修习过双语课程也是对我英语的提高，对专业知识和英语结合的提前习惯，这是对我来说一个很好的选择。