化學(xué)工程下的燃料乙醇工藝探究

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1發(fā)酵過程中的化學(xué)工程問題

1.1動(dòng)力學(xué)與放大問題

乙醇發(fā)酵過程前期主要的活動(dòng)內(nèi)容是乙醇原料的液化、糖化等，在初期階段結(jié)束以后進(jìn)入到乙醇的應(yīng)用特性控制階段。這一階段解決的主要問題是其發(fā)酵反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)問題，也就是發(fā)酵反應(yīng)能否繼續(xù)下去的關(guān)鍵問題，主要包括有兩個(gè)層次，一是本征動(dòng)力學(xué)，主要是指從一種物質(zhì)形式的本質(zhì)屬性出發(fā)對發(fā)酵生物反應(yīng)固有速率的研究；二是宏觀動(dòng)力學(xué)，主要是從乙醇制備的反應(yīng)器整體角度出發(fā)，充分考慮反應(yīng)器中原料物質(zhì)之間的能量傳遞情況的動(dòng)力學(xué)研究。其中酶催化反應(yīng)是應(yīng)用最廣泛的一種動(dòng)力學(xué)模型。

1.2發(fā)酵罐多場問題

在具體的乙醇發(fā)酵過程中發(fā)酵罐是發(fā)酵功能實(shí)現(xiàn)的主要設(shè)備，而乙醇的發(fā)酵過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，發(fā)酵過程中受各種因素的影響，溫度、濃度等各種反應(yīng)特性的傳遞會(huì)受到限制，從而在罐內(nèi)形成不同的反應(yīng)場，這種不規(guī)則分布的反應(yīng)場會(huì)對反應(yīng)的正常進(jìn)行產(chǎn)生影響，例如對氧在發(fā)酵液中的傳遞速度、固定化酶傳播等反應(yīng)應(yīng)有的過程產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響發(fā)酵反應(yīng)的質(zhì)量。但是正是發(fā)酵罐中的這種多場現(xiàn)象，為研究人員提供了干預(yù)發(fā)酵罐中發(fā)酵反應(yīng)的契機(jī)，通過對反應(yīng)罐中多場化現(xiàn)象的研究和有效利用，可以實(shí)現(xiàn)對乙醇發(fā)酵過程的人工干預(yù)，為乙醇質(zhì)量的提升奠定了基礎(chǔ)。

2提純過程中的化學(xué)工程問題

使用發(fā)酵方法制作乙醇制得的發(fā)酵液中，乙醇的含量較低，通常情況下只有5%到12%之間，這種濃度的乙醇是無法用作燃料的，所以在乙醇發(fā)酵工作完成后對乙醇溶液進(jìn)行提純是一個(gè)必要的環(huán)節(jié)。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的乙醇提純技術(shù)是蒸餾技術(shù)，通過精蒸餾的方法將乙醇中的水分有效排出，通常情況下使用這種提純技術(shù)只能將乙醇的含量提升到90%左右，在這種純度基礎(chǔ)上再使用蒸餾技術(shù)進(jìn)行提純，其提純效率已經(jīng)極低。所以為了保證乙醇溶液實(shí)現(xiàn)有效的工業(yè)應(yīng)用，應(yīng)該使用綜合提純方法對其進(jìn)行提純，提純活動(dòng)中首先以精蒸技術(shù)對乙醇溶液進(jìn)行粗提純，在提純形成的90%乙醇溶液基礎(chǔ)上再應(yīng)用萃取、共沸和吸附等精提純工藝做進(jìn)一步提純，形成工業(yè)應(yīng)用需求的相應(yīng)濃度乙醇產(chǎn)品。

3生物發(fā)酵反應(yīng)與分離過程的耦合

從乙醇發(fā)酵工藝角度來看，現(xiàn)代乙醇制作工藝研究的內(nèi)容還是一些基礎(chǔ)性的內(nèi)容，涉及到乙醇制作的具體工藝步驟，而生物發(fā)酵反應(yīng)與分離的耦合并不是一種單純的乙醇發(fā)酵制作工藝的完善，而是從乙醇制造整體角度出發(fā)對乙醇制造過程中的能量傳遞和化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)化。從當(dāng)前的乙醇制備角度來看乙醇制造存在著一個(gè)乙醇分離和提純的過程，這兩個(gè)過程的分離導(dǎo)致了整個(gè)制備過程制備資源和能量的浪費(fèi)，如果能夠?qū)⒁掖嫉姆蛛x過程和提純過程結(jié)合在一起，也就是說提升發(fā)酵分離過程產(chǎn)生的乙醇溶液濃度，就能夠減少乙醇提純過程的負(fù)擔(dān)，甚至可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)結(jié)束以后直接制得符合濃度要求乙醇的目標(biāo)。這種生物發(fā)酵反應(yīng)與分離過程的耦合極大的提升了乙醇制備的效率，是乙醇制備工藝發(fā)展的未來技術(shù)。

4結(jié)語

燃料乙醇是當(dāng)前實(shí)用性崔強(qiáng)的清潔能源技術(shù)形式，其制備工藝的發(fā)展對我國能源危機(jī)的化解、能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。本文從發(fā)酵過程中的化學(xué)工程問題、提純過程中的化學(xué)工程問題和生物發(fā)酵反應(yīng)與分離過程的耦合三個(gè)角度對這一問題進(jìn)行了簡要分析，認(rèn)為當(dāng)前燃料乙醇技術(shù)存在的主要問題集中在發(fā)酵反應(yīng)過程的控制、分離提純技術(shù)的應(yīng)用兩個(gè)方面，針對這一問題應(yīng)該從乙醇制備的整體角度出發(fā)，切實(shí)將發(fā)酵過程與提純過程結(jié)合在一起，從二者耦合的層面出發(fā)去解決。

作者：劉珊珊 單位：山東潤昌工程設(shè)計(jì)有限公司新疆分公司