生物制乙醇
生物质生产乙醇的方法及其工艺流程
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生物乙醇资料
生物乙醇
生物乙醇是一种可再生能源，被广泛用于代替传统燃料，具有环保、可持续等
优势。
本文将探讨生物乙醇的生产原理、应用领域及未来发展趋势。
生产原理
生物乙醇是通过发酵法制备的。
主要原料包括玉米、甜菜、小麦、红甜菜等含
糖作物，首先将这些原料破碎、蒸煮后加入酵母菌进行发酵，酵母菌分解原料中的糖分，产生乙醇和二氧化碳，最后通过蒸馏提取出纯净的乙醇。
应用领域
生物乙醇作为一种清洁能源广泛应用于交通运输领域。
混合使用生物乙醇的汽
油能有效降低尾气排放，减少对环境的污染。
此外，生物乙醇还可以用作工业原料，如溶剂、酯类化合物等。
未来发展趋势
随着人们对环境保护的重视以及对石油资源的逐渐枯竭，生物乙醇作为可再生
资源将会更受重视。
未来生物乙醇的生产技术将不断完善，生产成本降低，产量增加，推动其在能源替代领域的广泛应用。
总之，生物乙醇作为可再生能源，在环保、可持续发展等方面具有重要意义，
未来的发展将为人类社会带来更加清洁、可持续的能源解决方案。
生物乙醇
生物乙醇概述生物乙醇是以富含淀粉，糖分的生物质为原料通过发酵和蒸馏提纯制得的乙醇，属于可再生资源。
生物质原料包括玉米，高粱，小麦，大麦，甘蔗，甜菜，土豆等含糖类和淀粉的农作物。
此外城市垃圾，甘蔗渣，小树干，木片碎屑等纤维质原料也可用来生产生物乙醇。
目前生物乙醇主要来自于谷物粮食发酵，该工艺生产技术已经相当成熟，但生产成本较高，且受到粮食安全等社会因素的制约。
生物乙醇最廉价的智取途径是废弃的农作物秸秆发酵。
生物乙醇可以单独或与汽油混配制成乙醇汽油作为汽车燃料。
汽油掺乙醇有两个作用：一是乙醇辛烷值高达115，可以取代污染环境的含铅添加剂来改善汽油的防爆性能；二是乙醇含氧量高，可以改善燃烧，减少发动机内的碳沉淀和-氧化碳等不完全燃烧污染物排放。
同体积的生物乙醇汽油和汽油相比，燃烧热值低30％左右，但因为只掺入10％，热值减少不显著，而且不需要改造发动机就可以使用。
全球现在使用生物乙醇做成ETBE（乙基叔丁基醚--一种性能优良的高辛烷值汽油调和组分）替代MTBE（甲基叔丁基醚），通常以5~15%的混合量在不需要修改/替换现有汽车引擎的状况下加入；有些时候ETBE也以替代铅的方式加入汽油中，以提高辛烷值而得到较洁净的汽油；也可以完全替代汽油使用为输送燃料。
目前世界上使用乙醇汽油的国家主要是美国、巴西等国。
在美国使用的是E85乙醇汽油，即85%的乙醇和15%的汽油混合作为燃料，而美国是用甘蔗和玉米来生产乙醇的，这种E85汽油的价格与性能与常规汽油相似。
我国化石资源相对缺乏，必须大力发展生物乙醇燃料。
一方面，我国面临能源短缺的压力。
2009年中国的石油对外依存度突破51.2%，到2020年中国石油需求量将高达4.5亿吨，其中2.5亿吨来自进口。
近年国际油价大幅飙升，对中国经济造成了影响，利用可再生资源发展生物乙醇，可以部分替代常规能源，有效缓解能源短缺。
另一方面，发展燃料乙醇是调整我国农业结构，提高农民收入的有效手段。
第十四章 生物质制取乙醇
第十四章生物醇类燃料技术1生物醇类燃料背景1.1生物醇类燃料及其特性1.2生物醇类燃料发展现状2 生物燃料乙醇制备基础2.1微生物发酵法2.2乙醇发酵的有关微生物3生物燃料乙醇制备工艺3.1糖质原料的乙醇生产3.2淀粉质原料的乙醇生产3.3甜高粱茎秆制取乙醇3.4纤维素原料的乙醇生产3.5燃料乙醇制备新方法4 生物醇类燃料技术的应用与发展4.1糖质原料的乙醇生产案例4.2淀粉质原料的乙醇生产案例4.3甜高粱茎秆制取乙醇生产案例4.4纤维素乙醇生产案例4.5燃料乙醇生产经济性分析4.6其他生物醇类燃料的发展习题·1·1生物质制取乙醇1.1燃料乙醇技术的发展概况1.1.1 燃料乙醇的定义和性质1.1.1.1 燃料乙醇的定义乙醇（ethanol）又称为酒精，是由C、H、O三种元素组成的有机化合物。
中华人民共和国国家标准《变性燃料乙醇》和《车用乙醇汽油》规定，燃料乙醇是未加入变性剂的，可以作为燃料使用的无水乙醇。
1.1.1.2 乙醇的燃料性质乙醇分子由烃基和官能团羟基两部分构成，分子式为C2H5OH，相对分子质量为46.07，常温常压下是无色透明的液体，具有特殊的香味和刺激性，吸湿性很强，易挥发、易燃烧，可与水以任何比例混合并产生热量。
下图为乙醇的主要物理性质。
乙醇的主要物理性质项目数值项目数值冰点/K(℃) 159(-114.1) 混合气热值/(kJ/m3) 3.66常压下沸点/K(℃) 315.42(78.32) 爆炸极限(空气中)/%临界温度/K(℃) 541.2(243.1) 下限 4.3临界压力/kPa 6383.48 上限19.0临界体积/(L/mol) 0.167 自燃点/K(℃) 1066(793)临界压缩因子0.248 闪点/K(℃)密度0.7893 开杯法294.2(21.1)折射率 1.36143 闭皿法287.1(14.0)表面张力(25℃)/(mN/m) 231 热导率(20℃)/[W/(mK)] 0.170粘度(20℃)/(mPa/s) 17 磁化率(20℃) 7.34*10^-7水中溶解度(20℃) 可互溶饱和蒸汽压力(38℃)/kPa 17.33熔化热/(J/g) 104.6 十六烷值8汽化热(在沸点下)/(J/g) 839.31 辛烷值(RON) 111燃烧热(25℃)/(J/g) 29676.69 理论空燃比(质量) 8.98比热容(20℃)/[J/(gK)] 2.72乙醇蒸气与空气混合可以形成爆炸性气体，爆炸极限为4.3%~19.0%(体积分数)。
乙醇的制备pdf
技术概况第二代生物乙醇是指相对于玉米乙醇（第一代生物乙醇）而言，以生物质（农林作物废料，即木质纤维素）为原料生产的生物乙醇，包括纤维素乙醇和纤维乙醇的制备 ------第二代生物乙醇素生物汽油两种产品。
技术原理1. 纤维素乙醇目前已经建有示范装置和工业装置的纤维素乙醇生产技术有以下4种： a. 硫酸/酶-水解发酵技术首先把生物质原料用酸分解为半纤维素糖浆（木糖和其他5碳糖）和纤维渣（纤维素和木质素），二者分离以后糖浆用专用的酵母发酵为稀乙醇，纤维素用工业酶分解并发酵为稀乙醇，最后通过蒸馏得到燃料级纤维素 乙醇。
生物质残渣用作锅炉燃料生产工艺用蒸汽。
b. 硫酸水解-发酵技术用浓硫酸作催化剂，把纤维素和半纤维素原料转化为葡萄糖和木糖，收率是用稀硫酸和酶水解的1.5-3.0倍。
首先把原料干燥到水分少于10%，然后与75%的浓硫酸接触，在85℃左右和常压下蒸煮30min，再把水解得到的6碳糖、5碳糖与酸和木质素及其他固体物分离。
木质素和其他固体物用作锅炉燃料生产工艺用蒸汽和工厂用电。
约98%的酸和100%的糖在模拟移动床色谱分离器中回收。
酸循环使用，糖通过酵母连续发酵转化为乙醇(6碳糖100%转化，5碳糖20%转化)。
该工艺的关键技术一是用浓硫酸进行水解，二是用色谱分离回收酸，而不是中和并处理废料。
c.酸水解-发酵-酯化-加氢技术1—生物质：硬木、软木、柳枝草、玉米秸秆；2—化学分级分离；3—糖液；4—发酵；5—乙酸；6—生产酯；7—乙酸乙酯；8—乙酸乙酯外销；9—加氢；10—乙醇外销；11—氢气；12—气化；13—残渣去气化以废木材等为原料，通过酸水解得到葡萄糖和木糖溶液，然后用乙酸菌发酵把糖转化为乙酸，接着再酯化得到乙酸乙酯，乙酸乙酯（全部或部分）加氢得到乙醇。
氢气由酸水解得到的木质素气化生产。
由于用乙酸菌发酵把所有糖都转化为乙酸，不产生CO和其他副产物，因此碳没有2损失。
常规工艺是通过酵母发酵生产乙醇，每生产1个分子乙醇放出1个分子CO。
9.绿色化学工艺——生物质生产乙醇
绿色化学工艺——生物质生产乙醇
生物质（biomass)定义 利用太阳能通过光合作用（
photosynthesis)生成的任何有机物质
4
绿色化学工艺——生物质生产乙醇
生物质包括 林产物：树木（灌木、乔木） 草类 农作物：粮食 秸秆——麦草、稻草、玉米秆 海产物：各类海草 城市废弃物：报纸、天然纤维
纤维素水解反应动力学是一级串联反应
纤维素
糖
分解产物
A
B
C
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绿色化学工艺——生物质生产乙醇
C.序列阶段酸水解 采用浓酸和稀酸水解的三阶段： 第一阶段：预水解，水解和萃取木质素中的半纤
维素，用稀酸。 第二阶段：主水解，在浓酸中将纤维素水解成寡
糖和葡萄糖单体。 第三阶段：最后阶段，寡糖水解。
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绿色化学工艺——生物质生产乙醇
l 水解时间和温度 温度对水解速度影响很大，温度愈高，纤
维素酸水解的速度越快，但已生成单糖的分解也 越快。一般采用高温时，应用稀酸短时间水解， 如温度较低时，可采用较浓的酸和较长的时间水 解。
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绿色化学工艺——生物质生产乙醇
2．纤维素酶水解 A.酶水解理论 l 纤维素酶来源
细菌、放线菌、高等霉菌中有不少都可以 在纤维素上生长。
就发酵为酒精，从而解决葡萄糖对水解有反馈和 抑制作用，如果酵母选择合适，纤维二糖也可利 用，水解速度增加，糖产量和酒精收率增加
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绿色化学工艺——生物质生产乙醇
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绿色化学工艺——生物质生产乙醇
2. 森林和木材加工废物 森林采伐时
树枝和树梢约占整个树的4～12％ 树桩占4～5％ 森林中不成材的树木占木材储量的15％ 三者相加达木材储量的23～32％。木材加工中， 边角料和木屑占加工木料的25～30％，其中木屑 占1/3。
生物乙醇技术现状与进展
生物乙醇技术现状与进展生物乙醇是一种以植物或其他生物质材料为原料，通过发酵和蒸馏等工艺生产的乙醇燃料。
相比石油燃料，生物乙醇具有可再生、低碳排放、清洁燃烧等优势，因此在可持续能源发展和减排方面有着重要的地位和巨大潜力。
2020年全球生物乙醇产量约为1050亿升，其中美国、巴西、中国等国家是全球生物乙醇生产的主要国家。
浏览生物乙醇技术的现状与进展，以下几个方面是值得关注的：1.原料选择与开发：生物乙醇的原料主要包括玉米、甘蔗、小麦、木材等。
目前，以玉米和甘蔗为主要原料的生物乙醇工业化生产在全球范围内得到广泛应用，但存在着对粮食资源的竞争以及对土壤和环境的影响。
因此，开发新的生物质资源成为迫切需要解决的问题，例如废弃物、农林剩余物、微藻等都有潜力成为生物乙醇原料。
2.发酵技术改进：发酵是生物乙醇生产的核心步骤，对于提高产量和降低成本具有重要意义。
目前，常见的生物乙醇发酵菌主要包括酿酒酵母，但其对废弃物和木质纤维素等复杂底物的利用能力有限。
因此，研究人员通过基因工程、杂交育种等手段，改进发酵菌的抗性能力和底物适应性，提高发酵效率。
3.技术集成与共生发酵：采用共生发酵技术可以利用底物的多种组分，生产多种附加产品，提高资源利用效率。
例如，将生物乙醇生产与生物氢、生物丁醇等其他生物质燃料生产相结合，能够提高资源的综合利用效率，促进循环经济发展。
4.生物乙醇纯化技术改进：生物乙醇的纯化是保证其质量和燃烧效率的重要环节。
传统的蒸馏和萃取等方法需要大量的能量和化学试剂，对环境造成一定的压力。
因此，研究人员致力于开发低能耗、低成本的纯化技术，例如膜分离、离子液体等新技术，以实现生物乙醇快速高效纯化。
5.生物乙醇与燃料电池的结合：生物乙醇是一种燃料电池的理想燃料，可以通过与燃料电池技术的结合，实现乙醇的直接转换为电能，从而提高能源利用效率和减少碳排放。
近年来，研究人员不断改进生物乙醇燃料电池的催化剂和电极材料，提高其效率和稳定性。
生物法制备乙醇实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解生物法制备乙醇的原理和方法。
2. 掌握微生物发酵法制备乙醇的操作步骤和注意事项。
3. 学习乙醇的提取和纯化方法。
二、实验原理生物法制备乙醇主要采用微生物发酵法，即利用微生物（如酵母菌）在无氧条件下，将含有糖分的原料（如玉米、高粱、甘蔗等）转化为乙醇和二氧化碳。
反应式如下：C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2三、实验材料与仪器1. 实验材料：- 玉米淀粉- 高粱淀粉- 甘蔗汁- 酵母菌- 蒸馏水- 碱性酒石酸铜溶液- 酒精计- 碘液- 滤纸- 烧杯- 烧瓶- 漏斗- 滤网- 烧杯架- 温度计- 烧杯夹- 玻璃棒2. 实验仪器：- 烧杯（500mL）- 烧瓶（1000mL）- 漏斗- 滤网- 烧杯架- 温度计- 烧杯夹- 玻璃棒四、实验步骤1. 准备原料：称取一定量的玉米淀粉、高粱淀粉或甘蔗汁，加入适量的蒸馏水，搅拌均匀。
2. 预处理：将原料煮沸，煮沸过程中不断搅拌，使淀粉充分溶解。
煮沸时间为10-15分钟。
3. 冷却：将煮沸后的原料冷却至室温。
4. 接种：将冷却后的原料加入装有酵母菌的培养液，搅拌均匀。
5. 发酵：将接种后的原料放入发酵瓶中，密封，置于恒温培养箱中，发酵温度控制在28-30℃，发酵时间为48-72小时。
6. 检测发酵程度：用碱性酒石酸铜溶液检测发酵液中的酒精含量。
若呈蓝色，则说明酒精含量较低；若呈绿色，则说明酒精含量较高。
7. 提取乙醇：将发酵液过滤，收集滤液。
8. 纯化乙醇：将滤液进行蒸馏，收集蒸馏出的乙醇。
9. 测定乙醇含量：用酒精计测定蒸馏出的乙醇含量。
五、实验结果与分析1. 发酵过程中，原料中的淀粉被酵母菌分解为葡萄糖，葡萄糖在无氧条件下转化为乙醇和二氧化碳。
2. 通过碱性酒石酸铜溶液检测，发酵液中的酒精含量较高，说明发酵过程进行得较好。
3. 经过蒸馏，收集到的乙醇含量较高，说明乙醇的提取和纯化过程较为成功。
六、实验结论1. 生物法制备乙醇是一种可行的方法，具有原料来源丰富、生产成本低、环境友好等优点。
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——王靖,安明泉. 木糖发酵菌种研究进展[J]. 化学与生物工程，2007，24（11）：1-4.
五碳糖发酵菌株的改良 基因水平改良
1、引入五碳糖代谢途径 酿酒酵母和运动发酵单胞菌都 能利用六碳糖且能代谢木酮糖产乙 醇，但不能利用木糖，因此可以引 入木糖向木酮糖转化的代谢途径
例如：将来自嗜热细菌 Thermusthermophilus的木糖异构酶( XI)基因 xy lA 和酿酒酵母(自身的木酮糖激酶( XK)基因 XK S1, 插入酿酒酵母工业菌株NAN-27的染色 体中, 得到工程菌株NAN-114。其对木糖、葡萄 糖共发酵摇瓶实验结果表明, 工程菌NAN-114消 耗木糖4. 6g /L, 产生乙醇6. 9g /L, 较出发菌株分 别提高了43. 8% 和9. 5%。
木糖发酵制乙醇及其菌种 研究
1 2
3 4
研究背景 研究方向 技术改进
实验展望
研究背景 由于石油等化石能源的大量开采，消耗过快，石 油资源储备已经到了濒临枯竭的地步。因此，寻找一 种化石能源替代品已经是解决人类能源问题的必然途 径。生物质乙醇是良好的化石能源替代品，作为一种 可再生能源，其比化石能源更清洁，能有效减少温室 气体的排放。生物质乙醇的生产原料来源于木质纤维 素、淀粉类和糖类物质，传统的乙醇生产以玉米等粮 食为主要原料。然而，粮食为人类生存所必需，世界 范围内的粮食问题并未彻底解决，而且以粮食为原料 生产乙醇价格高，势必会受到限制。木质纤维素原料 丰富，而且价格低廉，因此，利用木质纤维素类物质 为原料生产乙醇非常有前景。
例如：嗜热厌氧纤维素降解细菌Clostridium sp.EVA4 菌株在最适条件下（最适pH 为7 .5 ～ 8 .0, 最适θ为55 ～ 60 ℃）利用1 %纤维素滤纸培 养120 h 产乙醇浓度为1 123mg/L , 纤维素降解率 为59%
——韩如羏，陈美慈，闵航，等. 嗜热厌氧细菌 Clostridiumsp. EVA4 菌株直接转化纤维素产乙醇的研究， 应用与环境生物学报，1999，5（Suppl）：170-174.
研究方向
木质纤维素
35%-50% 纤维素
水 解
20%-35% 半纤维素
10%-15% 木质素（木糖）
生物乙醇
研究方向
纤维素水解后产生六碳糖（主要为葡萄糖），较易被 传统工业微生物转化为乙醇，而半纤维素水解后主要得到 五碳糖（主要为木糖），通常情况下不能被传统工业微生 物转化成乙醇。由于半纤维素在木质纤维素中所占比例较 大，因此，开展五碳糖发酵菌株选育工作对于推动整个纤 维素燃料乙醇制备技术的发展具有重要意义。目前首要的 问题是通过成熟的技术手段，如基因工程和微生物培养等 技术寻找合适的微生物来进行水解和发酵，以解决糖化率 和产率偏低等问题。
例如：将季也蒙毕赤酵母（Pichia guillermondii）和休哈塔假丝酵母 （Candida shehatea）进行原生质体融 合得到融合子XX2，能代谢木糖，与对 照相比乙醇产量提高了37.7%。
——涂振东,叶凯,韩丽丽. 高效代谢木糖产乙 醇酵母菌株的选育[J]. 新疆农业科学，2008，45 （5）：945-949.
——汤斌，周逢云，张庆庆，等.Candida shehatae 的纯化 及其利用木糖和葡萄糖发酵的特性研究[J]. 食品科学，2009，30 （3）：159-162.
自然界中能利用五碳糖的微生物
细菌
发酵的底物广泛 （包括单糖、高 聚糖等），发酵 时间短，主要有 嗜热细菌，多粘 芽孢杆菌，大肠 杆菌等
实验展望
目前已经得到了具有一定效率的重组菌株， 但这些工作基本上是基于单个基因或是某 个代谢途径的几个基因的改造，只是改变 了细胞的局部，部分改变了细胞的代谢平 衡。因此，可以在木糖代谢途径的基因组 层面上定向进化或同时改变多个相关基因 群，使细胞在整体水平上适应木糖的代谢 或利用，从而使生物制乙醇可以商业化生 产，成为化石能源的替代品。
例如：将大肠杆菌丙酮酸甲酸裂解 酶pfl基因连同运动发酵单胞菌的pdc和 adhB转入大肠杆菌TOP10感受态细胞 获得重组菌E.coli TOP10- pfl，也能稳 定地利用葡萄糖和木糖产乙醇。
——高文,田沈,张晶,等. 发酵五碳糖和六 碳糖产乙醇染色体整合大肠杆菌的构建[J]. 可 再生能源，2007, 25（2）：21-25.
自然界中能利用五碳糖的微生物
真菌
真菌产生的酶系较 丰富，包括纤维素 酶和半纤维素酶等， 适合于植物纤维素 物质的同步糖化发 酵，主要有尖廉孢 菌和粗糙脉胞菌
目前报道能发酵木糖产乙醇的真菌主要有： F.oxysporumVTT-D-80134（3）， Neurospora crassaNCIM870，Paecilomyces sp.NFI.ATCC20766，F.sambucium VTT-D77056等。
微生物发酵五碳糖产乙醇的机理
• 到目前为止，微生物转化木糖成乙醇的途径主要 有2条，表现在木糖转化为木酮糖途径的差异
自然界中能利用五碳糖的微生物
酵母菌
利用木糖转化乙 醇的能力较强， 主要有管囊酵母、 树干毕赤酵母和 休哈塔假丝酵母3 种类型
例如： 休哈塔假丝酵母T Z8-13 对木糖和 葡萄糖都有良好的发酵性能，浓度60g/L 时 乙醇产量分别为21.6g/L 和24.2g/L，糖利用 率分别为97.81%(72h)和99.13%(36h)，较T 技术改进 Z1 菌株发酵木糖乙醇产量提高了 55.38%， 木糖利用率提高了19.54%。
五碳糖发酵菌株的改良 细胞水平改良
原生质体融合技术是将遗传 性状不同的2个细胞融合为一个新 细胞，使两亲株的整套基因相互 重新组合的一种技术，属于细胞 工程。通过原生质体融合进行基 因重组已经成为微生物遗传育种 的一种有效的工具，是工业菌株 改良的重要手段之一。 采用原生质体融合技术可以 使酵母菌获得代谢木糖产乙醇的 能力。
——沈煜,王颖,史文龙,等. 酿酒酵母工业菌株中XI 木糖代谢途径的建立[J]. 中国生物工程杂志,2005,5 （9）：69-73.
五碳糖发酵菌株的改良 基因水平改良
2、引入高产乙醇关键酶基因
自然界有些微生物能代谢混 合糖，包括五碳糖和六碳糖，但 产乙醇率很低。通过高产乙醇的 关键酶，能够大大提高菌种对乙 醇的转化能力目前这类研究的主 要对象是大肠杆菌