2009年,第12期知識介紹53生物柴油和燃料乙醇王曉波,馬子川,張英鋒(1.河北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,河北石家莊0500162.河北省秦皇島市第一中學(xué),河北秦皇島06000摘要:石油產(chǎn)品一直是汽車的主要燃料,但石油資源緊缺及其使用所帶來的一些環(huán)境問題使人們不得不去努力尋找新型可再生能源,生物質(zhì)能源就是其中的一種。本文介紹了生物柴油和燃料乙醇的性能,以及用酯交換法和發(fā)酵法生產(chǎn)生物柴油和燃料乙醇的方法。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)能源;生物柴油;燃料乙醇;酯交換;發(fā)酵文章編號:1005-6622009)12-0053-03中圖分類號:0623.624文獻(xiàn)標(biāo)識碼:E石油是主要的化石能源之一,一直以來都推動如此看來,生物質(zhì)能也是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形著工業(yè)和社會的發(fā)展,尤其在給養(yǎng)汽車燃油方面更式,太陽能資源可以說是取之不盡的,而生物質(zhì)資是大顯身手。然而,化石能源分布的不均勻性和緊源又具有可再生的特點(diǎn),所以說生物質(zhì)能也是可再缺問題已經(jīng)成為制約人類可持續(xù)發(fā)展的主要因素之生的,具有很大的應(yīng)用潛力。目前,生物質(zhì)能源的一。21世紀(jì)之初,伊拉克戰(zhàn)爭的爆發(fā)就是人類爭奪開發(fā)轉(zhuǎn)換方式主要有三種生物質(zhì)汽化、生物質(zhì)固石油資源的一個(gè)例子。因此積極開發(fā)新能源已迫在化和生物質(zhì)液化,而汽車的新燃料生物柴油、燃料眉睫。生物質(zhì)能源作為一種可再生的石油替代能乙醇就是通過生物質(zhì)液化技術(shù)而來的°源,已經(jīng)逐漸走進(jìn)了人們的視野,它既可持續(xù)使用生物柴油的最新定義為:以生物質(zhì)為原料,經(jīng)而且不受地域的限制,還十分環(huán)保,其中燃料乙過物理、化學(xué)和生物技術(shù)方法,制備成具有與化石醇、生物柴油正在成為汽車的主要燃料。柴油相似性質(zhì),并且可以替代化石柴油應(yīng)用于交通1生物質(zhì)燃油運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的液體燃料油。與化石柴油相比,生一直以來,幾乎所有汽車“喝”的都是石油產(chǎn)物柴油作為汽車的新食糧的最大優(yōu)點(diǎn)是,汽車“消品,據(jù)統(tǒng)計(jì),在石油產(chǎn)品中,汽油的85%-90%和化”后的產(chǎn)物更環(huán)保在普通柴油中添加20%的生柴油的30%均被汽車所消耗,然而,地球上蘊(yùn)藏物柴油,便可減少排放二氧化硫70%,降低空氣毒的可開發(fā)石油資源卻只剩下幾十年的壽命,石油資性90%。另外,生物柴油本身也非常容易被自然源的緊缺已經(jīng)影響了它自身的發(fā)展,而且使用石油界的微生物分解而不會污染環(huán)境,而且生物柴油還產(chǎn)品所帶來的環(huán)境問題也日益突出:石油的主要元可再生,可為汽車提供充足的食糧。那么,生物柴素是碳?xì)?但也有微量氧、氮、硫等元素。碳的完油的使用會使汽車“營養(yǎng)不良”而影響汽車的性能全燃燒產(chǎn)物二氧化碳與溫室效應(yīng)有關(guān),硫的燃燒產(chǎn)嗎?事實(shí)上是不會的。生物柴油具有良好的燃燒性物二氧化硫與酸雨的形成有關(guān),氮的燃燒產(chǎn)物也對能,其燃燒性要好于化石柴油,能提供更多的有效空氣造成污染,傷害人的身體健康。因此,積極尋功率,而且,無論是其燃燒狀態(tài)還是燃燒的殘留找一種石油的替代資源來作為汽車的新食糧就勢在物,都有助于延長發(fā)動機(jī)和發(fā)動機(jī)油的使用壽命。必行了。除這些之外,生物柴油加熱產(chǎn)生的蒸汽的著火的溫生物質(zhì)資源是指可再生的有機(jī)物質(zhì)資源,包括度比較高,也即閃點(diǎn)高。所以,生物柴油不屬于危農(nóng)作物、樹木等植物及其殘?bào)w、畜禽糞便、有機(jī)廢險(xiǎn)品,在運(yùn)輸和使用過程中更安全。正是由于生物棄物等,可以儲存由光合作用產(chǎn)生的能量。由于這柴油的這一系列優(yōu)良特性,自1988年生物柴油誕些能量儲存于生物質(zhì)中,故稱之為生物質(zhì)能。光合生以來,到2005年全球生物柴油的產(chǎn)量已達(dá)240作用是地球上的綠色植物、藻類和光合細(xì)菌吸收太萬噸,而且它正在進(jìn)入快速增長的時(shí)期。陽光并把空氣中的二氧化碳和土壤中的水轉(zhuǎn)換成碳汽車的另一種主要新型燃料便是燃料乙醇。如水化合物,使太陽能轉(zhuǎn)化成碳水化合物中的化學(xué)果說大家對燃料乙醇還比較陌生,那么對乙醇或者能,儲存在生物質(zhì)中。其反應(yīng)式為6CO2+H2O→酒精應(yīng)該是非常熟悉了。所謂燃料乙醇就是指將95602+ch12O6+1840kjmol%的乙醇進(jìn)一步脫水而得,同時(shí)為了避免燃料乙醇54化學(xué)教學(xué)2009年,第12期流入食用酒精市場,需在燃料乙醇中加入變性劑臨界條件下,甘油三酯中的甘油被其他短鏈醇(主(適量汽油)形成變性燃料乙醇燃料乙醇可單獨(dú)要為甲醇)替換掉從而生成新的酯類物質(zhì),也因此作為汽車燃料,也可與汽油混合作為混合燃料。同稱之為酯交換法。均相催化制取生物柴油的主要工生物柴油一樣,乙醇也是一種環(huán)保的可再生燃料:藝流程如圖2所示:乙醇燃料的放熱量要比汽油低,但乙醇中含有氧,甲醇、氫氧化鈉與普通汽油混用,一方面可以使汽油中原來不可完提純甲酯相干燥生物全燃燒的部分充分燃燒,抵消了自己少放出的熱原前處理預(yù)處理酯交換分液量,另一方面可減少汽車一氧化碳、碳?xì)浠衔锏挠秃笥团欧?真可謂“有過之而無不及”。同樣,乙醇燃甘油相提純純甘油料的使用也有利于延長車輛主要部件的使用壽命。圖2燃料乙醇作為發(fā)動機(jī)燃料始于20世紀(jì)30年代,但生物柴油的原料可以是大豆、油菜籽等油料作真正受到人們的重視是在20世紀(jì)70年代,其中開物果實(shí),油棕、黃連木等油料林木果實(shí),工程微藻發(fā)應(yīng)用比較有特色的當(dāng)屬巴西:到1991年,巴西乙等水生植物,以及動物油脂、廢餐飲油等。這些原醇產(chǎn)量已達(dá)130億升,在980萬輛汽車中,近400料油中通常會含有相當(dāng)數(shù)量的脂肪酸和水,在這種萬輛為純乙醇汽車,其余大部分汽車燃用的是20情況下,若直接用堿催化制取生物柴油,脂肪酸與%的乙醇加汽油混合燃料,乙醇燃料已占汽車燃料催化劑堿反應(yīng)是必然的,且反應(yīng)后整個(gè)體系的物質(zhì)消費(fèi)量的50%以上混在一起變濁,即發(fā)生乳化現(xiàn)象,這一方面會抑制生物柴油和燃料乙醇的性能非常符合當(dāng)前社會堿的催化作用,另一方面會給以后的分液等操作帶發(fā)展對能源的要求,汽車能夠找到如此好的新食來不便。另外,水也會與原料油中的主要成分油脂糧,何愁會“挨餓”,也不必?fù)?dān)心自己被“限行”作用生成脂肪酸,既消耗了有效成分,還加劇了乳了。但生物質(zhì)能源的開發(fā)利用技術(shù)仍處在發(fā)展時(shí)化現(xiàn)象?？磥碓嫌偷那疤幚硎鞘直匾?這就期,下面就生物柴油和燃料乙醇的幾種制備方法作像我們做一道菜,盡管你的烹飪技藝很好,如果你簡單介紹。選的材料最初沒有清洗處理好,那么是不會做出美2化學(xué)法制生物柴油味佳肴的。所以,生物柴油的制取中原料油一般要生物柴油是一種酯類物質(zhì),主要為脂肪酸甲先經(jīng)過脫水、脫酸的處理,常用的方法有蒸餾法和酯,化學(xué)式為 RCOOCH33,它主要是由棉籽油、菜預(yù)酯化法。前者是把油酸和水加熱轉(zhuǎn)化成蒸汽蒸籽油、花生油、葵花籽油等植物油或動物脂肪為原出而后者則是加入過量甲醇把游離酸消耗掉而生料制成的。在化學(xué)中,植物油與動成羧酸甲酯再進(jìn)行分離。經(jīng)過預(yù)處理的油便可送入物脂肪合稱為油脂,是一種長碳鏈H2-R的脂肪酸甘油酯,其結(jié)構(gòu)簡式如圖1R,反應(yīng)器,與甲醇在堿性催化劑作用下進(jìn)行酯交換。反應(yīng)結(jié)束后,反應(yīng)體系分為上下兩層,上層即為我所示。(R1、R2、R3均為飽和或不飽CH-0R:們所需的甲酯類物質(zhì),下層為被替換掉的甘油。經(jīng)1、n2和長碳鏈烴)。CH--R,過分離的甲酯中常含有甲醇、甘油、氫氧化鈉等雜現(xiàn)在,生物柴油的化學(xué)制取方圖1質(zhì),還要經(jīng)過進(jìn)一步處理(蒸餾和水洗)和干燥,法主要有高溫?zé)崃呀夥ê王ソ粨Q法。才可得到我們的產(chǎn)品——生物柴油。預(yù)酯化法的反所謂高溫?zé)崃呀夥?顧名思義,就是在高溫條件應(yīng)原理為:下,使油脂的長碳鏈斷裂為短鏈分子,不過此法的 RCOOH+CH,OHRCOOCH3+H20主要產(chǎn)品是生物汽油,而且這種方法還需控制在無生物柴油的均相酯交換法中所有反應(yīng)物質(zhì)均為氧或微氧的環(huán)境下才能進(jìn)行酯交換法根據(jù)不同的液體,而非均相反應(yīng)物的相態(tài)就不同了,這解決了制取過程與條件,主要包括均相催化法、非均相催均相反應(yīng)中催化劑分離困難的弊端,但反應(yīng)物接觸化法、生物催化法和超臨界法等面積減小了,便大大減緩了酯交換的反應(yīng)速率,所以,需選取高效的催化劑。生物催化法和超臨界CH2CRCOOCH,ChH法則分別是以生物酶作催化劑和超臨界條件下進(jìn)行CH-Cr,3,OH NaOHCoOCH,+CHH的反應(yīng)。生物柴油還可用一些物理方法獲得,這里便不一一贅述了。 CH-o c-R, R,COOCH, CH,OH3生物法制燃料乙它們的化學(xué)反應(yīng)原理都是在催化劑作用下或超制取燃料乙醇的原料有3種來源·蔗糖等含糖2009年,第12期知識介紹55類物質(zhì);農(nóng)作物秸稈、木材及其加工剩余物等含纖產(chǎn)品。維類物質(zhì)甘薯、玉米、小麥等淀粉類物質(zhì)。生產(chǎn)的用來發(fā)酵的微生物種類對發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)主要原理是生物科學(xué)中的發(fā)酵原理,以玉米為原料量有至關(guān)重要的影響。所以,在最初階段先要選出生產(chǎn)燃料乙醇的主要工藝流程及相關(guān)原理如圖3品性優(yōu)良的作為菌種。微生物的生長具有一定規(guī)示:律,可分為四個(gè)不同的生長階段延滯期、對數(shù)生長糖化酶(淀粉酶)酵母期、穩(wěn)定期和衰亡期。剛接入培養(yǎng)基的細(xì)菌并不立即生長,即有所謂的延滯期,這會延長發(fā)酵的生玉米預(yù)處理凈玉米脫胚制漿淀粉漿糖化糖化產(chǎn)周期,影響發(fā)酵的生產(chǎn)效率所以,發(fā)酵工程中都使用對數(shù)期的微生物轉(zhuǎn)移到發(fā)酵原料中,快速獲發(fā)酵得大量個(gè)體后,再進(jìn)入穩(wěn)定期生產(chǎn)出產(chǎn)品。乙醇發(fā)燃料乙醇脫水發(fā)酵成熟酵中常用的微生物是酵母菌。提起酵母菌,大家應(yīng)圖3該也非常熟悉,我們每天吃的面包和饅頭就是有酵對于玉米這種原料,相信大家是再熟悉不過母菌的參與制成的,乙醇發(fā)酵的原理為:了,但對玉米的生物結(jié)構(gòu)及其物質(zhì)組成,或許我們 C.H,062CH,CH2OH+2C02玉米為糧食作物,若用它為原料生產(chǎn)燃料乙還是要再認(rèn)識一下的:玉米粒主要有種皮、胚乳、醇胚等幾個(gè)基本部分組成,種皮的主要成分是纖維質(zhì)醇,可能會造成汽車與人爭糧的局面。所以,現(xiàn)在物質(zhì),胚體的胚芽其主要成分是脂肪,玉米中的淀工業(yè)上正積極發(fā)展用纖維素類物質(zhì)來生產(chǎn)乙醇,但粉主要集中在胚乳中。淀粉是一種多糖類物質(zhì),也仍有許多技術(shù)問題尚未解決,比如,纖維素的水解是乙醇發(fā)酵的有效成分。所謂多糖,是由許多個(gè)像等。如果這些問題得以解決,那么,它的發(fā)展前途應(yīng)當(dāng)十分光明。葡萄糖這樣的小分子糖類物質(zhì)連接在一起形成的,在一定條件下如,在淀粉酶或其他化學(xué)催化劑的作4結(jié)束語用下,它還可以再分解為葡萄糖,這稱之為水解反生物柴油和燃料乙醇以石油產(chǎn)品的替代資源身應(yīng),也是制乙醇工藝中糖化的主要原理,其反應(yīng)份出現(xiàn)在汽車燃油領(lǐng)域,已逐漸被人們所接受。盡為:管它的推廣還存在一些技術(shù)問題和原料短缺問題,(CHOH2淀粉酶nCH2O6但我們相信,隨著自然科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,但是,糖化對胚芽中的脂肪卻不起作用。在生這些問題一定能得到很好的解決。另外,我們也不產(chǎn)中,如果讓脂肪繼續(xù)進(jìn)入到發(fā)酵環(huán)節(jié)中,可能會難看出,以生物柴油和燃料乙醇為代表的生物質(zhì)能所以,在生產(chǎn)的最源,以及太陽能、風(fēng)能、水能這樣的可再生新能初階段,除對玉米進(jìn)行預(yù)處理,把其中的土、石等源,也越來越受到人們的青睞和重視了。雜質(zhì)除去外,還要把得到的凈玉米進(jìn)行機(jī)械粉碎,參考文獻(xiàn):然后分離出富含脂肪的胚芽部分,稱之脫胚。脫去的胚芽可用來煉玉米油,剩下的玉米粉加水可制成1]馮明星汽車的發(fā)展與石油的消費(fèi)石油知識2004,(24041淀粉漿。淀粉漿更易在淀粉酶的作用下糖化得到可2魏學(xué)鋒張小云,羅婕等生物質(zhì)燃料的開發(fā)利用現(xiàn)狀與展望用來發(fā)酵的葡萄糖,也即糖化醪;糖化醪經(jīng)過酵母節(jié)能2008:14-17發(fā)酵便得到發(fā)酵成熟醪;發(fā)酵成熟醪就是低濃度的[3]蔣劍春生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)與應(yīng)用(1)]生物質(zhì)化學(xué)工程,乙醇溶液。然后,經(jīng)過各種脫水工藝便得到我們的20073:065.4]譚利偉,簡保全,生物質(zhì)能源的開發(fā)利用農(nóng)業(yè)工程技術(shù),最終產(chǎn)品燃料乙醇。2007.(1):18~27.在此工藝中,發(fā)酵應(yīng)比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。事[5]安文杰,許德平,王海京生物柴油化學(xué)制備方法糧食與油實(shí)上,發(fā)酵與我們的生活走得非常近,除燃料乙醇2005,:35.外,象酸牛奶、啤酒和一些藥物等都是由發(fā)酵而[6]小安,蔣劍春生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)與應(yīng)用(V)—生物柴得。發(fā)酵其實(shí)是微生物的一種特殊新陳代謝方式,油產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)生物質(zhì)化學(xué)工程2008(1562它們在沒有氧氣的條件下,把營養(yǎng)物質(zhì)分解為一些門黃治玲燃料乙醇的生產(chǎn)與利用48]胡永松,王忠彥微生物與發(fā)酵工程[M]成都四川大學(xué)出版社,特殊的物質(zhì)。于是人們便把微生物的這一特性用在1987:75工業(yè)中來,大量生產(chǎn)其代謝產(chǎn)物,其一般流程為:菌種選育或活化→擴(kuò)大培養(yǎng)→接種發(fā)酵→分離