燃料乙醇工藝的化學工程分析

李雨倫

【摘要】乙醇是有多種用途的有機物，在飲料、香精以及醫(yī)療上均有應用，伴隨著世界范圍內(nèi)能源危機以及新能源的探索開發(fā)，乙醇以其成本低、環(huán)保等優(yōu)點逐漸在燃料這一用途方面得到了高度重視。本文主要探討的是關于燃料乙醇的化學工程問題，在具體的分析中首先對燃料乙醇在發(fā)酵過程中的化學工程進行分析，其次對燃料乙醇在提純過程中的化學工程進行分析，最后闡述了燃料乙醇發(fā)酵與分類中的化學工程。

【關鍵詞】燃料乙醇；化學工程；探究分析

乙醇作為一種燃料，不管是在生產(chǎn)過程中還是在燃燒過程中均不會產(chǎn)生污染物，屬于一種清潔能源。早期的乙醇主要是通過淀粉、纖維素等經(jīng)過長時間的發(fā)酵而來，然而燃料酒精由于其需求大，在生產(chǎn)過程中需要大規(guī)模的生產(chǎn)，在生產(chǎn)中涉及到一定的化學工程，了解這些化學工程是燃料乙醇生產(chǎn)的關鍵，同時也是該調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)的重點。本文主要就燃料乙醇工藝的化學工程問題分析如下：

一、燃料乙醇發(fā)酵分析

1、燃料乙醇發(fā)酵的多尺度

燃料遺傳在發(fā)酵過程中涉及到的工程領域較多，其中包括微生物工程、化學工程以及生物化學工程等，因此在實際的發(fā)酵過程中化學反應相對復雜，正是由于其發(fā)酵過程中的復雜性，在研究中僅僅從單一的角度去研究與實際要求不符，因此在生產(chǎn)過程中應該注重多尺度問題，也就是說從多個角度對燃料乙醇的發(fā)酵過程進行分析，這樣才能更加全面的將乙醇復雜的發(fā)酵過程顯現(xiàn)出來，因此對于燃料酒精發(fā)酵的研究應該涉及到生物學以及化學兩個重要方面，這樣的研究才更加符合實際研究需要。

2、發(fā)酵中的動力學與放大

乙醇在發(fā)酵前期需要進行相關的準備工作，其中主要與偶乙醇原料的液化以及糖化等，然后在乙醇發(fā)酵過程中應該做好相關特性的控制，也就是動力學問題，動力學是乙醇發(fā)酵是否可以順利發(fā)酵的基礎，其中涉及到兩個方面的問題，一個是本征動力學，也就是從早期的原料到發(fā)酵微生物固有速率的問題，另外一個就是宏觀動力學，這個具體的就是在發(fā)酵階段乙醇的能量傳遞情況，現(xiàn)階段對動力學研究應用主要模型是酶催化反應。

3、發(fā)酵中的發(fā)酵罐多場

在遺傳發(fā)酵過程中需要一定的設備，發(fā)酵罐就是主要設備，由于乙醇發(fā)酵的復雜性，同時在發(fā)酵中還會受到外界環(huán)境溫度、濕度等各方面因素的影響。這些因素的影響會造成發(fā)酵速度緩慢，影響發(fā)酵進程，也就是溢出發(fā)酵進程的不同在發(fā)酵罐內(nèi)形成了不同的反應場，不同的反應場對于發(fā)酵罐正常的發(fā)酵造成影響，最終發(fā)酵質(zhì)量也會造成影響，不過這種發(fā)酵場也有有利的一面，那就是工作人員可以在發(fā)酵中采取措施進行干預，使發(fā)酵質(zhì)量向更高的程度靠近。

二、燃料乙醇提純分析

乙醇在經(jīng)過發(fā)酵后在發(fā)酵液中實際含有的乙醇含量非常低，據(jù)有關資料顯示，這種含量通常只能達到5.0%—12.0%，這種低含量的乙醇基本不能滿足燃料的需求，所以在發(fā)酵結(jié)束后通常還需要進行提純，當然提純也是乙醇生產(chǎn)中必不可少的，對于乙醇提純的技術方法較多，應用較為廣泛的主要是蒸餾技術，蒸餾提純乙醇主要是將乙醇中大量的水分排出，當然在具體的提純中需要多次提純才能保證乙醇的含量，不過乙醇通過蒸餾能達到的最大含量約為90.0%，因此想要進一步提出就需要采用其它的提純方法。在實際對乙醇的提純中通常是先通過蒸餾的方法將乙醇提純到一定程度，在達到一定含量后可繼續(xù)使用萃取、吸附等提純方法進一步提升乙醇的含量，最終達到工業(yè)乙醇要求或者實際需要的濃度[1]。

三、發(fā)酵與分離的耦合

乙醇在發(fā)酵過程中其發(fā)酵過程與早期乙醇的發(fā)酵過程有較多的相同點，因此其工藝研究內(nèi)容也是一些基礎性的東西。在發(fā)酵反應和分離過程中進行的耦合同樣是一個復雜過程，因此在技術水平以及操作水平上都應該有嚴格的要求。

如果通過直接的化學反應就可以得到最終的成品，那么這個過程就是一個簡單的反應過程，而在這個反應過程中采用的干預措施、采用的設備等就屬于反應工程，在乙醇提純中采用一定的方法將乙醇中不需要的一些水分或者雜質(zhì)清除，在這個過程中采用的試劑、設備以及提純中遇到的實際問題均屬于分離工程。因此乙醇發(fā)酵與乙醇分離的耦合在理論上是可行的，當然通過實驗證明在實踐操作中也是可行的。在這方面也有較多的報道，比如有學者將液體的萃取以及發(fā)酵過程結(jié)合到了一起，在進行連續(xù)發(fā)酵過程中將油烯基乙醇作為萃取劑，最終結(jié)果表明通過這種方法提取的乙醇質(zhì)量相對于早期的提純明顯提高。也就是說將生物發(fā)酵技術可以簡單地看成是反應與分離技術的耦合，這樣在工業(yè)乙醇生產(chǎn)過程中可大大的提高分離效率，促進乙醇含量的提升，當然對于大范圍的推廣乙醇生產(chǎn)具有重要意義。在乙醇發(fā)酵中可以將反應工程學的原理以及分離學工程理論結(jié)合起來，然后研究整個耦合過程，這樣的研究對于推動整個燃料乙醇的工業(yè)生產(chǎn)起著關鍵性作用，不過當前大多數(shù)學者的報道中報道的內(nèi)容更多的傾向于工藝條件、生物萃取劑以及膜材料等，但是涉及到多場耦合、傳遞特性等化學工程的研究卻很少，這些在一定程度上抑制了燃料乙醇的工藝生產(chǎn)[2]。

在未來乙醇生產(chǎn)中新型發(fā)酵設備以及分離設備都需要多場耦合的指導，當然在后期的乙醇發(fā)酵中將會實現(xiàn)反應、分離以及其其它多種分離技術設備的耦合，也就是說通過一個連續(xù)的設備可實現(xiàn)乙醇發(fā)酵到成品，這樣的設備不僅提高了生產(chǎn)效率，同時乙醇的質(zhì)量也會得到明顯提高。當然這種設備同樣的可加快燃料乙醇作為新型能源的步伐。

結(jié)束語

燃料乙醇生產(chǎn)中過多的涉及到流體流動、熱量傳遞以及發(fā)酵生化反應等，這個過程是一個復雜的過程，同時也涉及到多學科，因此在燃燒乙醇工藝的化學工程分析中應該從多個角度對其進行研究，在后期較長時間內(nèi)的研究目標應該集中在生物發(fā)酵反應與提純分離過程的耦合，這樣的研究可以推進乙醇工藝生產(chǎn)的發(fā)展，有利于盡早的調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)環(huán)保綠色可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1]李揚，曾健，王科，等.醋酸酯化合成乙醇工藝及經(jīng)濟性分析[J].精細化工原料及中間體，2011（11）.

[2]陳葉濤.關于燃燒乙醇工藝的化學工程分析[J].科技風，2014（20）.