浅谈燃料乙醇工艺的化学工程创新

工业技术浅谈燃料乙醇工艺的化学工程创新周召海(大连大学环境与化学工程院116622)[摘要]目前发酵工艺的放大仍停留在经验阶段,这与燃料乙醇发展的需求极不相称,采用化学工程的成熟理论及先进技术来研究燃料乙醇工艺过程具有重要的意义,本文重点阐述生化反应工程和生化分离工程中的化学工程分析关键词]燃料乙醇化学工程创新动力学中图分类号:TS262.2文献标识码:A文章编号:1009914X(2011)14-0048-01燃料乙醇生产过程包含发酵生物化学反应与乙醇分离两大主要过程其工大优势。计算机仿真将成为研究流程优化的重要手段和必然趋势艺流程与人们熟知的化学工程中的许多单元操作存在不少共同点如传递和反3生物发酵反应与分离过程耦合应等诸多化学工程问题所不同的是这里的反应是发酵生化反应。这在理论由于发酵反应和分离过程耦合并不仅仅是二者的简单叠加程的耦合往往上来说似乎是个简单的过程但要想在大规模水平上获得最大效率,却需要依会产生意想不到的效果,在这方面无论是理论还是技术上都有待于进一步创靠生物学和化学工程学的结合新。对于反应与分离过程的耦合问题的认识需要追溯一下这个问题的源头1发酵过程的化学工程分析若通过化学反应所生成的产物就是最终产品则相应的过程一般认为是反应过由于酒精发酵过程是一个综合了微生物学、生物化学以及化学工程学的程。在工程上付诸实施的方法、设备以及其它问题的综合便是反应工程。分复杂过程因此模拟计算该过程不能仅仅单一采用传统的生物学方法或化学工离过程是通过物质的迁移从物系中除去或浓集某一特定组分,在工业上实现程的方法,面应对生物反应器中多尺度问题作综合考虑。乙醇发酵过程前沿分离过程所采用的方法、设备以及大规模生产中所遇到的问题的综合构成了课题主要集中在液化、糖化和发酵过程节能降耗,包括;耐受高温、高糖浓分离工程。它们在工程上采用的物质和能量的传递、流体力学和化学反应的度、高乙醇浓度的能力以及酵母高效发酵过程的基础研究;液化酶、糖化酶基本原理、规律是相同的,所采用的设备也有许多共同点。因而耦合问题从原的作用机制及实际物系的动力学研究;同步糖化发酵工艺实际物系的代谢调控理上看是可行的,实验结果也进一步证实了这一点,有关生物发酵反应与分离机制与酵母发酵动力学等方面的研究。从化学工程角度看,上述问题涵盖过程耦合方面的研究已有一些报道,如液液萃取与发酵结合酵生物反应动力学及传递特性两个方面动力学方程是发酵过程放大的理论基综上所述将生物发酵直接看做反应并与分离技术耦合,来提高整个发酵础。发酵动力学包括两个层次:一是本征动力学,它是指没有传递等工程因素及分离的效率这种观点和方法的运用将会极大地推动燃料乙醇工艺的技术进影响时发酵生物反应固有的速率;二是宏观动力学,它是指在反应器内所观测步采用反应工程学原理,并结合分离理论进行建模分析研究耦合过程的机到的总反应速率及其影响因素,这些影响因素包括反应器的形式和结构、操理也将会进一步推动工艺革新。然而报道中大都是生物萃取剂、膜材料及工作方式、物料的流动与滟合、传质与传热等。对于连续酒精发酵,情况要艺条件等方面的研究,而从传递特性(传热、传质、动量传递)、多场耦合方面间歇发酵复杂。因为要模拟计算连续酒精发酵过程,不仅要考虑酒精发酵化学工程角度进行的研究较少这也是化工学科的进步滞后于科学技术整体过程中的生物化学反应特征,还要关注酒精发酵罐内的流动情况即停留时间的发展的原因之所在。多场耦合对于开发新型的发酵与分离设备具有重要的分布问题。在大多数情况下,只要体系的物性、流场、流态与在实际操作指导意义,未来的发展趋势必将是将反应和分离以及多种分离结合在一起的设热态)时比较接近,往往可以用冷模的实验方法模拟在热态下的流体力学状备。如精馏与吸附、发酵与精馏等通过一个设备操作即可实现两者的完美结态,这对大设备的放大规律的研究是很有帮助的、因此采用大型冷模研究在合,而目前的多塔生产工艺将会被逐渐淘汰而发展对应的短流程工艺这方面过程设备中流体的流体力学特性并与用小型热模所进行的动力学研究相结的研究及发展将极大地消减成本,同时也会降低能耗对于改善反应与分离过是研究发酵设备放大规律的一种有效方法程、提高效率具有很大的潜力。它的发展必将推动燃料乙醇工艺的技术进步2乙醇纯化过程中的化半工程问题并有望解决乙醇生产中的能耗问题精馏作为具有技术成熟度和应用成熟度较高的分离方法是分离乙醇一水溶液最早也是最普遍的方法。但由于溶液较高的蒸发热,精馏在操作过程中贯穿于燃料乙醇生产过程的流体流动、质量传递问题与发需要很高的能耗;并且随着原料中乙醇浓度的提高精馏塔中回流比必须相应酵生化反应交织在一起,对燃料乙醇过程产影响,发酵过程尤其地提高,进一步提高了成本。这部分的工艺几乎等同于化学工程的分离工艺是同步糖化发酵技术背后的物理、生物、化学机制及工程策略.发酵罐中流技术而这些化工分离工程技术趋于成熟因而可完全加以应用。传统的分离场、温度场及浓度场的多场耦合,对生物反应器中多尺度问题作综合考虑,采经历了几十年的研究和发展,技术上已经比较成熟,但并不意味着它们不再发用人工智能研究流程优化组合分析工程策略,发展新型分离发酵设备等,都是展,无论在理论上、设备的结构和效率上,仍在不断有所创新,日前呈现出分目前急需研究的内容,是燃料乙醇领域的难点和热点问题。采用化学工程学离与反应过程耦合(增加化学作用对分离过程的影响)、分离过程的集成以及的理论及方法研究燃料乙醇生物反应工程的规律、工程放大及流程创新将是多场耦合等趋势。王华军等提出了—种新的乙醇除水技术路线,采用了反应种主要趋势+精馏同时进行的方式除去乙醇-水共沸物中的水。目前燃料乙醇工业中乙参考文献醇纯化过程一般采用多塔精馏,而向乙醇水体系加入另一组分以增大原有体[1]杨立彦,尚会建,郑学明等.非食用生物质制燃料乙醇的研究现状系的分离因子的萃取精馏分离方法也被采用。近年来研究工作呈现出采用复J].河北工业科技2009,26(5)3合溶剂特别是加盐萃取精馏获得无水乙醇的报道加盐萃取精馏利用的是盐效2]王彦锋新型耦合分离技术生产燃料乙醇的研究[D].2005应。加入盐溶液,可以使乙醇对水的相对挥发度大大提高,恒沸点消失,可以[3]刘娜石淑兰木质纤维素转化为燃料乙醇的研究进展[J].现代化工,在较小回流比下较容易获取无水乙醇。膜蒸发分离乙醇-水混合物也取得了2005,25(3)5较好的进展。膜蒸发技术是基于溶液扩散机理,其驱动力是膜两侧的化学势梯度。采用膜蒸发可比传统方法节能1/2~2/3,且可避免产品和环境受污染具有明显的技术经济优势。采用吸附脱水分离乙醇一水共沸物也是研究热点,无机吸附剂如分子筛、氯化锂、硅胶已成功应用于发酵乙醇工业,然而对吸附床的流场特性及放大规律认识还不是很清楚这方面仍需要进一步研究。生物吸附剂,如谷粒、淀粉和纤维素以其良好的吸附性能、高的乙醇收率,引起人们的关注。从目前研究来看,在燃料乙醇生产中对采用单一操作过程研究的较多。如单独研究吸附脱水分离乙醇-水共沸物:单独采用渗透蒸发分离乙醇一水中国煤化工单独采用萃取精馏法分离乙醇-水混合物等。然而对这些分离技术的综合运CNMHG用,研究单元操作的组合优化报道很少。具体来说对于从发酵液到成品酒精采用何种单元操作以及单元操作如何组合、分析不同组合的能耗及分离效果等都是目前学术界关注的课题。通过实验研究这些单元操作组合以及流程优化,显然耗时耗力,得不偿失;然而采用计算机仿真运用流程仿真软件研究工程放大模拟并研究实际物系在不同单元操作组合下的规律和经济效益具有较48|裁廂数据