工業(yè)技術(shù)淺談燃料乙醇工藝的化學(xué)工程創(chuàng)新周召海(大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程院116622)[摘要]目前發(fā)酵工藝的放大仍停留在經(jīng)驗(yàn)階段,這與燃料乙醇發(fā)展的需求極不相稱(chēng),采用化學(xué)工程的成熟理論及先進(jìn)技術(shù)來(lái)研究燃料乙醇工藝過(guò)程具有重要的意義,本文重點(diǎn)闡述生化反應(yīng)工程和生化分離工程中的化學(xué)工程分析關(guān)鍵詞]燃料乙醇化學(xué)工程創(chuàng)新動(dòng)力學(xué)中圖分類(lèi)號(hào):TS262.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009914X(2011)14-0048-01燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程包含發(fā)酵生物化學(xué)反應(yīng)與乙醇分離兩大主要過(guò)程其工大優(yōu)勢(shì)。計(jì)算機(jī)仿真將成為研究流程優(yōu)化的重要手段和必然趨勢(shì)藝流程與人們熟知的化學(xué)工程中的許多單元操作存在不少共同點(diǎn)如傳遞和反3生物發(fā)酵反應(yīng)與分離過(guò)程耦合應(yīng)等諸多化學(xué)工程問(wèn)題所不同的是這里的反應(yīng)是發(fā)酵生化反應(yīng)。這在理論由于發(fā)酵反應(yīng)和分離過(guò)程耦合并不僅僅是二者的簡(jiǎn)單疊加程的耦合往往上來(lái)說(shuō)似乎是個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程但要想在大規(guī)模水平上獲得最大效率,卻需要依會(huì)產(chǎn)生意想不到的效果,在這方面無(wú)論是理論還是技術(shù)上都有待于進(jìn)一步創(chuàng)靠生物學(xué)和化學(xué)工程學(xué)的結(jié)合新。對(duì)于反應(yīng)與分離過(guò)程的耦合問(wèn)題的認(rèn)識(shí)需要追溯一下這個(gè)問(wèn)題的源頭1發(fā)酵過(guò)程的化學(xué)工程分析若通過(guò)化學(xué)反應(yīng)所生成的產(chǎn)物就是最終產(chǎn)品則相應(yīng)的過(guò)程一般認(rèn)為是反應(yīng)過(guò)由于酒精發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)綜合了微生物學(xué)、生物化學(xué)以及化學(xué)工程學(xué)的程。在工程上付諸實(shí)施的方法、設(shè)備以及其它問(wèn)題的綜合便是反應(yīng)工程。分復(fù)雜過(guò)程因此模擬計(jì)算該過(guò)程不能僅僅單一采用傳統(tǒng)的生物學(xué)方法或化學(xué)工離過(guò)程是通過(guò)物質(zhì)的遷移從物系中除去或濃集某一特定組分,在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)程的方法,面應(yīng)對(duì)生物反應(yīng)器中多尺度問(wèn)題作綜合考慮。乙醇發(fā)酵過(guò)程前沿分離過(guò)程所采用的方法、設(shè)備以及大規(guī)模生產(chǎn)中所遇到的問(wèn)題的綜合構(gòu)成了課題主要集中在液化、糖化和發(fā)酵過(guò)程節(jié)能降耗,包括;耐受高溫、高糖濃分離工程。它們?cè)诠こ躺喜捎玫奈镔|(zhì)和能量的傳遞、流體力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)的度、高乙醇濃度的能力以及酵母高效發(fā)酵過(guò)程的基礎(chǔ)研究;液化酶、糖化酶基本原理、規(guī)律是相同的,所采用的設(shè)備也有許多共同點(diǎn)。因而耦合問(wèn)題從原的作用機(jī)制及實(shí)際物系的動(dòng)力學(xué)研究;同步糖化發(fā)酵工藝實(shí)際物系的代謝調(diào)控理上看是可行的,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn),有關(guān)生物發(fā)酵反應(yīng)與分離機(jī)制與酵母發(fā)酵動(dòng)力學(xué)等方面的研究。從化學(xué)工程角度看,上述問(wèn)題涵蓋過(guò)程耦合方面的研究已有一些報(bào)道,如液液萃取與發(fā)酵結(jié)合酵生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及傳遞特性?xún)蓚€(gè)方面動(dòng)力學(xué)方程是發(fā)酵過(guò)程放大的理論基綜上所述將生物發(fā)酵直接看做反應(yīng)并與分離技術(shù)耦合,來(lái)提高整個(gè)發(fā)酵礎(chǔ)。發(fā)酵動(dòng)力學(xué)包括兩個(gè)層次:一是本征動(dòng)力學(xué),它是指沒(méi)有傳遞等工程因素及分離的效率這種觀點(diǎn)和方法的運(yùn)用將會(huì)極大地推動(dòng)燃料乙醇工藝的技術(shù)進(jìn)影響時(shí)發(fā)酵生物反應(yīng)固有的速率;二是宏觀動(dòng)力學(xué),它是指在反應(yīng)器內(nèi)所觀測(cè)步采用反應(yīng)工程學(xué)原理,并結(jié)合分離理論進(jìn)行建模分析研究耦合過(guò)程的機(jī)到的總反應(yīng)速率及其影響因素,這些影響因素包括反應(yīng)器的形式和結(jié)構(gòu)、操理也將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)工藝革新。然而報(bào)道中大都是生物萃取劑、膜材料及工作方式、物料的流動(dòng)與滟合、傳質(zhì)與傳熱等。對(duì)于連續(xù)酒精發(fā)酵,情況要藝條件等方面的研究,而從傳遞特性(傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞)、多場(chǎng)耦合方面間歇發(fā)酵復(fù)雜。因?yàn)橐M計(jì)算連續(xù)酒精發(fā)酵過(guò)程,不僅要考慮酒精發(fā)酵化學(xué)工程角度進(jìn)行的研究較少這也是化工學(xué)科的進(jìn)步滯后于科學(xué)技術(shù)整體過(guò)程中的生物化學(xué)反應(yīng)特征,還要關(guān)注酒精發(fā)酵罐內(nèi)的流動(dòng)情況即停留時(shí)間的發(fā)展的原因之所在。多場(chǎng)耦合對(duì)于開(kāi)發(fā)新型的發(fā)酵與分離設(shè)備具有重要的分布問(wèn)題。在大多數(shù)情況下,只要體系的物性、流場(chǎng)、流態(tài)與在實(shí)際操作指導(dǎo)意義,未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)必將是將反應(yīng)和分離以及多種分離結(jié)合在一起的設(shè)熱態(tài))時(shí)比較接近,往往可以用冷模的實(shí)驗(yàn)方法模擬在熱態(tài)下的流體力學(xué)狀備。如精餾與吸附、發(fā)酵與精餾等通過(guò)一個(gè)設(shè)備操作即可實(shí)現(xiàn)兩者的完美結(jié)態(tài),這對(duì)大設(shè)備的放大規(guī)律的研究是很有幫助的、因此采用大型冷模研究在合,而目前的多塔生產(chǎn)工藝將會(huì)被逐漸淘汰而發(fā)展對(duì)應(yīng)的短流程工藝這方面過(guò)程設(shè)備中流體的流體力學(xué)特性并與用小型熱模所進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)研究相結(jié)的研究及發(fā)展將極大地消減成本,同時(shí)也會(huì)降低能耗對(duì)于改善反應(yīng)與分離過(guò)是研究發(fā)酵設(shè)備放大規(guī)律的一種有效方法程、提高效率具有很大的潛力。它的發(fā)展必將推動(dòng)燃料乙醇工藝的技術(shù)進(jìn)步2乙醇純化過(guò)程中的化半工程問(wèn)題并有望解決乙醇生產(chǎn)中的能耗問(wèn)題精餾作為具有技術(shù)成熟度和應(yīng)用成熟度較高的分離方法是分離乙醇一水溶液最早也是最普遍的方法。但由于溶液較高的蒸發(fā)熱,精餾在操作過(guò)程中貫穿于燃料乙醇生產(chǎn)過(guò)程的流體流動(dòng)、質(zhì)量傳遞問(wèn)題與發(fā)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(yīng)酵生化反應(yīng)交織在一起,對(duì)燃料乙醇過(guò)程產(chǎn)影響,發(fā)酵過(guò)程尤其地提高,進(jìn)一步提高了成本。這部分的工藝幾乎等同于化學(xué)工程的分離工藝是同步糖化發(fā)酵技術(shù)背后的物理、生物、化學(xué)機(jī)制及工程策略.發(fā)酵罐中流技術(shù)而這些化工分離工程技術(shù)趨于成熟因而可完全加以應(yīng)用。傳統(tǒng)的分離場(chǎng)、溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)的多場(chǎng)耦合,對(duì)生物反應(yīng)器中多尺度問(wèn)題作綜合考慮,采經(jīng)歷了幾十年的研究和發(fā)展,技術(shù)上已經(jīng)比較成熟,但并不意味著它們不再發(fā)用人工智能研究流程優(yōu)化組合分析工程策略,發(fā)展新型分離發(fā)酵設(shè)備等,都是展,無(wú)論在理論上、設(shè)備的結(jié)構(gòu)和效率上,仍在不斷有所創(chuàng)新,日前呈現(xiàn)出分目前急需研究的內(nèi)容,是燃料乙醇領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。采用化學(xué)工程學(xué)離與反應(yīng)過(guò)程耦合(增加化學(xué)作用對(duì)分離過(guò)程的影響)、分離過(guò)程的集成以及的理論及方法研究燃料乙醇生物反應(yīng)工程的規(guī)律、工程放大及流程創(chuàng)新將是多場(chǎng)耦合等趨勢(shì)。王華軍等提出了—種新的乙醇除水技術(shù)路線,采用了反應(yīng)種主要趨勢(shì)+精餾同時(shí)進(jìn)行的方式除去乙醇-水共沸物中的水。目前燃料乙醇工業(yè)中乙參考文獻(xiàn)醇純化過(guò)程一般采用多塔精餾,而向乙醇水體系加入另一組分以增大原有體[1]楊立彥,尚會(huì)建,鄭學(xué)明等.非食用生物質(zhì)制燃料乙醇的研究現(xiàn)狀系的分離因子的萃取精餾分離方法也被采用。近年來(lái)研究工作呈現(xiàn)出采用復(fù)J].河北工業(yè)科技2009,26(5)3合溶劑特別是加鹽萃取精餾獲得無(wú)水乙醇的報(bào)道加鹽萃取精餾利用的是鹽效2]王彥鋒新型耦合分離技術(shù)生產(chǎn)燃料乙醇的研究[D].2005應(yīng)。加入鹽溶液,可以使乙醇對(duì)水的相對(duì)揮發(fā)度大大提高,恒沸點(diǎn)消失,可以[3]劉娜石淑蘭木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化為燃料乙醇的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工,在較小回流比下較容易獲取無(wú)水乙醇。膜蒸發(fā)分離乙醇-水混合物也取得了2005,25(3)5較好的進(jìn)展。膜蒸發(fā)技術(shù)是基于溶液擴(kuò)散機(jī)理,其驅(qū)動(dòng)力是膜兩側(cè)的化學(xué)勢(shì)梯度。采用膜蒸發(fā)可比傳統(tǒng)方法節(jié)能1/2~2/3,且可避免產(chǎn)品和環(huán)境受污染具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。采用吸附脫水分離乙醇一水共沸物也是研究熱點(diǎn),無(wú)機(jī)吸附劑如分子篩、氯化鋰、硅膠已成功應(yīng)用于發(fā)酵乙醇工業(yè),然而對(duì)吸附床的流場(chǎng)特性及放大規(guī)律認(rèn)識(shí)還不是很清楚這方面仍需要進(jìn)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(guān)注。從目前研究來(lái)看,在燃料乙醇生產(chǎn)中對(duì)采用單一操作過(guò)程研究的較多。如單獨(dú)研究吸附脫水分離乙醇-水共沸物:單獨(dú)采用滲透蒸發(fā)分離乙醇一水中國(guó)煤化工單獨(dú)采用萃取精餾法分離乙醇-水混合物等。然而對(duì)這些分離技術(shù)的綜合運(yùn)CNMHG用,研究單元操作的組合優(yōu)化報(bào)道很少。具體來(lái)說(shuō)對(duì)于從發(fā)酵液到成品酒精采用何種單元操作以及單元操作如何組合、分析不同組合的能耗及分離效果等都是目前學(xué)術(shù)界關(guān)注的課題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究這些單元操作組合以及流程優(yōu)化,顯然耗時(shí)耗力,得不償失;然而采用計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)用流程仿真軟件研究工程放大模擬并研究實(shí)際物系在不同單元操作組合下的規(guī)律和經(jīng)濟(jì)效益具有較48|裁廂數(shù)據(jù)