燃料乙醇工藝的化學工程探究

劉珊珊（山東潤昌工程設計有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

燃料乙醇是在古老的發(fā)酵酒精技術基礎上形成的清潔可再生能源形式，其在社會經(jīng)濟活動中的應用不僅能夠提升燃料的燃燒效率問題，還能夠有效的控制石化燃料燃燒的污染問題，是當前最為現(xiàn)實的一種清潔可再生能源形式。因此對燃料乙醇工藝的化學工程的探究具有鮮明的現(xiàn)實意義。

1 發(fā)酵過程中的化學工程問題

1.1 多尺度問題

從本質(zhì)角度來講乙醇的發(fā)酵過程是一個綜合性的反應過程，包含了微生物學、生物化學和化學工程學的復雜內(nèi)容，所以對乙醇發(fā)酵過程的研究不能片面的從其中任何一個角度出發(fā)來進行，而應該立足于乙醇發(fā)酵制備的實際從“多尺度”角度出發(fā)進行研究?！岸喑叨取崩碚摤F(xiàn)代科學逐漸走向融合的一種具象表現(xiàn)，其反映的主要問題就是復雜綜合性反應過程的多種衡量尺度問題。乙醇的發(fā)酵過程存在微生物、生物化學和化學工程學的尺度形式，就注定乙醇發(fā)酵的過程不能以任何一種形式單獨衡量，而應該從生物和化學兩個主要層次出發(fā)，對反應器中的細胞代謝物質(zhì)流和化學物質(zhì)流進行綜合性的系統(tǒng)分析。

1.2 動力學與放大問題

乙醇發(fā)酵過程前期主要的活動內(nèi)容是乙醇原料的液化、糖化等，在初期階段結束以后進入到乙醇的應用特性控制階段。這一階段解決的主要問題是其發(fā)酵反應的動力學問題，也就是發(fā)酵反應能否繼續(xù)下去的關鍵問題，主要包括有兩個層次，一是本征動力學，主要是指從一種物質(zhì)形式的本質(zhì)屬性出發(fā)對發(fā)酵生物反應固有速率的研究；二是宏觀動力學，主要是從乙醇制備的反應器整體角度出發(fā)，充分考慮反應器中原料物質(zhì)之間的能量傳遞情況的動力學研究。其中酶催化反應是應用最廣泛的一種動力學模型[1]。

1.3 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)酵功能實現(xiàn)的主要設備，而乙醇的發(fā)酵過程是一個復雜的過程，發(fā)酵過程中受各種因素的影響，溫度、濃度等各種反應特性的傳遞會受到限制，從而在罐內(nèi)形成不同的反應場，這種不規(guī)則分布的反應場會對反應的正常進行產(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應有的過程產(chǎn)生影響，進而影響發(fā)酵反應的質(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發(fā)酵罐中發(fā)酵反應的契機，通過對反應罐中多場化現(xiàn)象的研究和有效利用，可以實現(xiàn)對乙醇發(fā)酵過程的人工干預，為乙醇質(zhì)量的提升奠定了基礎[2]。

2 提純過程中的化學工程問題

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行提純是一個必要的環(huán)節(jié)。當前應用最廣泛的乙醇提純技術是蒸餾技術，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只能將乙醇的含量提升到90%左右，在這種純度基礎上再使用蒸餾技術進行提純，其提純效率已經(jīng)極低。所以為了保證乙醇溶液實現(xiàn)有效的工業(yè)應用，應該使用綜合提純方法對其進行提純，提純活動中首先以精蒸技術對乙醇溶液進行粗提純，在提純形成的90%乙醇溶液基礎上再應用萃取、共沸和吸附等精提純工藝做進一步提純，形成工業(yè)應用需求的相應濃度乙醇產(chǎn)品[3]。

3 生物發(fā)酵反應與分離過程的耦合

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反應的優(yōu)化。從當前的乙醇制備角度來看乙醇制造存在著一個乙醇分離和提純的過程，這兩個過程的分離導致了整個制備過程制備資源和能量的浪費，如果能夠?qū)⒁掖嫉姆蛛x過程和提純過程結合在一起，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擔，甚至可以實現(xiàn)化學反應結束以后直接制得符合濃度要求乙醇的目標。這種生物發(fā)酵反應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[4]。

4 結語

燃料乙醇是當前實用性崔強的清潔能源技術形式，其制備工藝的發(fā)展對我國能源危機的化解、能源結構的優(yōu)化具有鮮明的現(xiàn)實意義。本文從發(fā)酵過程中的化學工程問題、提純過程中的化學工程問題和生物發(fā)酵反應與分離過程的耦合三個角度對這一問題進行了簡要分析，認為當前燃料乙醇技術存在的主要問題集中在發(fā)酵反應過程的控制、分離提純技術的應用兩個方面，針對這一問題應該從乙醇制備的整體角度出發(fā)，切實將發(fā)酵過程與提純過程結合在一起，從二者耦合的層面出發(fā)去解決。

[1]陳葉濤.關于燃燒乙醇工藝的化學工程分析[J].科技風,2014,20：121+125.

[2]姜芹.玉米基原料發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇的分析與探索[D].大連理工大學,2012.

[3]王蓮.水稻秸稈同步糖化發(fā)酵法制備乙醇的工藝研究[D].華中農(nóng)業(yè)大學,2009.

[4]石教育.真空膜蒸餾耦合生物質(zhì)發(fā)酵制備燃料乙醇基礎研究[D].北京理工大學,2014.