對乙醇純化過程的化學工程分析論文

對乙醇純化過程的化學工程分析論文

　　乙醇是生物質液體能源物質的主要形式，也是化石燃料最可能的替代品。目前乙醇的工業制造已經十分成熟。例如以淀粉類和糖類作為發酵原材料，采用微生物法發酵生產乙醇是一項成熟的技術。另外，用木纖維素材料包括秸稈等農業廢棄物，城市固體廢棄物、辦公廢紙、雜草、鋸末等以及市政廢水中的固體部分等進行乙醇生產的研究也已經有很多相關的文獻和材料。本文簡單介紹了乙醇的發酵工藝，著重對于乙醇的純化過程經行了化學工程分析。

　　1. 乙醇發酵工藝簡介

　　發酵方式有直接發酵法、間接發酵法、混合菌種發酵、同步糖化發酵法(SSF法)、非等溫同步糖化發酵法和固定化細胞發酵法(NSSF法)。這里只介紹典型的SSF法和NSSF法。

　　SSF法:當纖維素生物質作為原料的時候，纖維素酶對于纖維素生物質的水解被水解產物——葡萄糖和纖維二糖所抑制，從而發展了同步糖化發酵法。同步糖化發酵法是將酶水解和乙醇發酵結合起來，在同一發酵罐中進行，而且因發酵罐內的纖維素水解速度遠低于葡萄糖消耗速度，從而使葡萄糖的濃度保持很低。乙醇對于纖維素酶的抑制作用不如纖維二糖和葡萄糖的抑制作用大，所以水解的同時將糖轉化成乙醇會為動力學方面創造有利條件，并且會提高纖維素酶的效率。

　　NSSF法:ZHANGWEN WU 等于1998 年提出了利用非等溫同步發酵法(NSSF法)生產乙醇的工藝流程。這個工藝流程包含一個水解塔和一個發酵罐，不含酵母細胞的流體在兩者之間循環。該設計使水解和發酵可在各自最佳的溫度下進行，可消除水解產物對酶的抑制作用，但顯然也增加了流程的復雜化。

　　2. 乙醇純化的化學工程分析

　　傳統的從發酵液中分離乙醇-水混合液一般分兩步:先用普通精餾方法得到質量分數為92.4%的乙醇，再用共沸精餾、萃取精餾、液液萃取、吸附或其它方法得到無水乙醇。但是，但由于溶液較高的蒸發熱，精餾在操作過程中需要很高的能耗;并且隨著原料中乙醇濃度的提高，精餾塔中回流比必須相應地提高，進一步提高了成本。

　　新型的乙醇純化方法包括萃取法、超臨界流體法和滲透蒸發膜分離法。萃取法使用多種溶劑從低含量乙醇的水溶液中萃取乙醇，但其所使用溶劑大多具有毒性容易造成環境污染。超臨界二氧化碳和乙烷作溶劑分離乙醇-水溶液，由于乙醇在氣相相對較低的溶解性，超臨界流體法被認為是一種較好的方法。而NaA-沸石膜蒸發分離乙醇-水，120 ℃下可生產530 L/h 濃度高于99.8%的乙醇。這部分的工藝幾乎等同于化學工程的分離工藝技術，而這些化工分離工程技術趨于成熟，因而可完全加以應用。

　　采用吸附脫水分離乙醇-水共沸物也是研究熱點，無機吸附劑如分子篩、氯化鋰、硅膠已成功應用于發酵乙醇工業。然而對吸附床的流場特性及放大規律認識還不是很清楚，這方面仍需要進一步研究。生物吸附劑，如谷粒、淀粉和纖維素以其良好的吸附性能、高的乙醇收率，引起人們的關注。科學家研究了使用生物吸附劑進行乙醇脫水研究，結果表明淀粉和纖維素可選擇性的吸附水蒸氣，可得到高于質量分數為99.5%的乙醇。另外實驗研究了使用玉米粉作為固定床吸附劑打破乙醇-水的共沸點，然后再經流化床重生。研究結果表明，影響吸附量的因素包括蒸汽流過固定床表面的速度、床層溫度、玉米粉的粒徑分布，玉米粉對水的吸附能力為0.14~0.025 g水/g吸附劑。

　　另一方面，傳統的分離經歷了幾十年的研究和發展，技術上已經比較成熟，但并不意味著它們不再發展，無論在理論上、設備的結構和效率上，仍在不斷有所創新，目前呈現出分離與反應過程耦(增加化學作用對分離過程的影響)、分離過程的集成以及多場耦合等趨勢。一種新的乙醇除水技術路線，采用了反應+精餾同時進行的方式除去乙醇-水共沸物中的水。

　　3. 存在問題及相關措施

　　科學家在泡罩塔中研究了加入乙酸鉀萃取精餾乙醇-水共沸物的過程，結果表明加入少量的乙酸鉀即可消除共沸點。CaCl2 的加鹽萃取精餾過程與使用苯、戊烷、二乙酯的共沸精餾過程和使用乙二醇和汽油的萃取精餾過程，結果表明以CaCl2為鹽的加鹽萃取精餾過程優于其它技術。從降低能耗角度而言，加鹽萃取精餾更適用于從發酵液中制得無水乙醇;與只用乙二醇的萃取精餾相比，溶劑比減少了75%~80%，塔板數大幅度減少，能耗顯著下降，然而加鹽萃取精餾中鹽的加入，不可避免導致對設備的腐蝕，鹽有時會從溶劑中析出，使管道堵塞，這都是目前亟待解決的問題。

　　乙醇純化過程中，各種單元操作的模擬，其分離過程的耦合可以采用商品化的流程模擬軟件(如Aspen Plus，Pro Ⅱ等)。然而這些商品化模擬軟件在進行過程設計時，一般采用“二步法”。而采用該種方法設計操作困難，耗時耗力，各種單元操作方式通常依靠經驗決定，不屬于真正意義上的過程合成或集成。在乙醇的純化中，工程模擬的重點在于根據指定條件對各種單元操作和分離流程耦合篩選。這就要涉及到人工智能方面的理論，無疑當采用專家系統后，計算機本身就是一個經驗豐富的工程師，它能夠根據人設定的要求(目標函數)，自動選擇合適的流程組合，而不在需要工程師去依靠經驗來選擇流程、確定工藝了。這方面的研究對于進一步優化乙醇分離無疑是十分有利的，具有重要意義。

　　4. 總結

　　采用化學工程學的理論及方法研究燃料乙醇生物反應工程的規律、工程放大及流程創新將是一種主要趨勢。采用人工智能研究流程優化組合分析工程策略，發展新型分離提純設備等，都是目前急需研究的內容，是乙醇領域的難點和熱點問題。

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