乙醇的应用--毕业论文

乙醇的生产及应用研究进展摘要乙醇是具有燃烧完全、效率高、用途广等特点的可再生能源。本文简要综述了生产乙醇的几种新技术，主要包括以玉米、小麦等为原料的淀粉类技术、以甘蔗、甜菜等为原料的糖蜜类技术及以农、林废弃物等为原料的纤维素类技术；较详细地阐述了乙醇在医药、食物、燃料、饮料、化工等领域的应用研究。最后，展望了乙醇的应用发展前景。关键词乙醇生产应用进展面对化石能源短缺以及使用化石燃料导致的大气污染、酸雨、温室效应等一系列环境问题，人类已着手开发用包括核能、风能、太阳能、氢能、生物质能源在内的各种绿色替代能源。在生物质能源中，作为替代性再生能源之一的乙醇，具有燃烧完全、效率高、无污染等特点，因此具有巨大的发展潜力。世界重要经济体近30年来大力发展燃料乙醇，美国、巴西走在世界前列，两国燃料乙醇产量占世界的69%以上[1]。现阶段我国生产燃料乙醇的原料以玉米为主(占50%以上)，其次是薯类(占23%)，其余是高粱、小麦、糖蜜等[2]。乙醇除了做燃料，还有许多其它用处，如：作为有机合成的原料；各种化合物结晶的溶剂；洗涤剂；萃取剂；食用酒精可以勾兑白酒；用作粘合剂；硝基喷漆、清漆、化妆品、油墨、脱漆剂等的溶剂以及农药、医药、橡胶、塑料、人造纤维、洗涤剂等的制造原料；还可以做防冻剂、消毒剂等。1乙醇的生产技术目前，世界乙醇生产技术按原料可分为3类。（1）以玉米、小麦等为原料的淀粉类技术；（2）以甘蔗、甜菜等为原料的糖蜜类技术；（3）以农、林废弃物等为原料的纤维素类技术[3]。1.1淀粉类技术—玉米乙醇技术美国具有比较成熟的由玉米制备乙醇的技术，主要有两种传统方法，一是湿法碾磨。美国约40%的乙醇用湿法碾磨生产。将玉米浸泡在具有二氧化硫的水中24h至36h，使籽粒能分离(Separate)成为四个组成部分：胚、蛋白质、纤维质和淀粉。分离反应出现后，淀粉就发酵成乙醇，而剩下的三种组分则作为诸如玉米面筋粉和玉米面筋饲料等副产品出售。这些都是被看作比较值钱的副产品。二是干法粉碎。干法粉碎总共约占美国乙醇生产的70%。加工随着玉米被精细碾磨并被烧煮开始，淀粉被发酵并转化为乙醇，而玉米的三个不能发酵的部分(蛋白质、纤维质和脂肪)则被运送经过这个过程，并作为一种称作带可溶物的干酒糟(distillersdriedgrainswithsolubles)DDGS的饲料产品，在结束时回收。伴随着玉米基乙醇生产力的不断扩大，美国伊里诺斯大学的研究人员与来自美国农业部农业研究服务部东部地区研究中心的同行们一道，已发现一项新的玉米碾磨方法叫做酶促干法粉碎，能增大每批生产的乙醇数量和这个方法产生的副产品的价值。该方法包括将玉米短时期浸泡于水，加以粗略粉碎并用酵母培养，1将玉米籽粒分解，从而能够在发酵过程之前将胚和纤维质抽出[4]。我国南京绿天源生物化工工程有限公司开发的膜耦合清液发酵制备乙醇的生产工艺是知识产权的国家专利技术[5]。膜耦合清液发酵制备乙醇的生产工艺技术特点如下：(1)高细胞密度：酵母细胞密度为5×108/mL，发酵周期6～8h，是传统工艺发酵周期的1/10～1/8，发酵强度大，设备利用率高。(2)糖2醇转化率高，可达理论值的94%，膜生物反应器的应用使产物反馈抑制降至最低，副反应产物极少。(3)改良湿法前处理工艺，玉米综合利用率高，副产物附加值得到大幅度提升。(4)差压蒸馏、热泵技术和热耦合技术的应用可显著降低能耗。(5)采用耐高温菌种，可在35℃时正常发酵，显著降低循环水消耗，节能。(6)全程自动控制，使整个生产过程始终处于最佳工艺条件下运行。(7)闭环生产工艺，无工艺废水排放，既节约水资源，又保护环境。1.2糖蜜类技术—蔗糖生产乙醇甘蔗是一种适应性广、抗逆性强、高生物量、高可发酵糖量作物，且具有成熟的生产技术和丰富的原料来源。因此，甘蔗作为非粮作物生产乙醇的研究具有重要的意义。闫德冉等人[6]以固定化酵母作为发酵菌株，研究了甘蔗生产乙醇的预处理、发酵工艺，获得了最适工艺参数。甘蔗经切断、撕裂、压榨机压榨和板框过滤后得到甘蔗汁，在甘蔗汁中加入1U/mL的青霉素，发酵及酒母培养的pH值为3.5～4.0，添加0.01%的硫酸镁，32～35℃，发酵21h，乙醇浓度达到9.5%vol左右，糖醇转化率在96%左右。采用单浓度双流加连续发酵工艺进行生产试验，与淀粉质及纤维质乙醇工艺进行对比，结果表明，甘蔗生产乙醇的连续发酵工艺在生产上是完全可行的，工艺路线简单，生产成本低，是目前最适于大规模推广的乙醇生产工艺。周美静等人[7]以可溶性固形物浓度为16%的甜高粱茎杆汁液为材料，通过单因素试验确定适宜的氮源为硫酸铵；对发酵过程中的pH值、接种量、温度对酒精度的影响进行研究，通过正交试验，最终确定利用甜高粱糖汁生产乙醇的发酵条件为：初始pH5.0、接种量10%、温度30℃、发酵48h，可获得10.0%(v/v)的酒精。1.3纤维素类技术随着能源危机和环境污染问题日益突出，世界能源发展正步入一个崭新的时期，纤维素乙醇因被当作最佳液体替代燃料并具有生态效益而成为工业生物技术的研究热点。中国科学院于2007年12月中旬启动“纤维素乙醇的高温发酵和生物炼制”重大项目。该项目分成4个子课题，分别是：木质纤维素预处理技术研究，新型木质纤维素降解酶系的发现、改造与应用，高温乙醇菌的系统生物技术改造，纤维素乙醇发酵过2程优化与控制。其中，高温乙醇菌的系统生物技术改造项目则通过高通量筛选，获得直接利用纤维素和半纤维素发酵生产乙醇的高温菌株。通过对乙醇工业生产酵母的耐热性能改造，显著提高酵母发酵阶段的耐温性能，使乙醇工业生产酵母的耐热温度达到40℃以上，单位乙醇消耗原料（干基）控制在5t／t。纤维素乙醇发酵过程优化与控制项目将通过对乙醇高温发酵系统的模型化和系统优化，设计一套高温纤维素乙醇生产中试示范装置。此外，还将建立纤维素乙醇技术经济分析的数学模型，分析纤维素乙醇高温发酵在不同设计方案、操作条件及生产规模下的经济性，并与国内外其他主要技术系统进行比较。该课题还将开展纤维素乙醇技术发展战略分析与预测研究，完成万吨级纤维素乙醇技术经济可行性研究报告[8]。2乙醇的应用乙醇的用途很广，可用乙醇来制造醋酸、饮料、香精、染料等。医疗上也常用体积分数为70%—75%的乙醇作消毒剂，还可作为燃料。2.1乙醇在医药中的应用2.1.1不同浓度的消毒剂乙醇广泛用于医用消毒，一般使用95%的酒精用于器械消毒；70-75%的酒精用于杀菌，例如75%的酒精在常温（25℃）下一分钟内可以杀死大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、白色念球菌、铜绿假单胞菌等；更低浓度的酒精用于降低体温，促进局部血液循环等。但是研究表明，乙醇不能杀死细菌芽孢，也不能杀死肝炎病毒（如：乙肝病毒）。故乙醇只能用于一般消毒，但达不到灭菌的效果。不同体积分数的乙醇的用途如下表1。表1不同体积分数的乙醇的用途体积分数99.5%95%70-75%40-50%25-50%用途可提取叶绿体中的色素器械的消毒，相机镜头的拭擦杀菌效果最好预防褥疮，促进血液循环可用于物理退热近几年的研究发现，乙醇作为消毒剂的广泛应用对环境有一定的影响。边藏丽等人[9]对医院使用的75%乙醇污染状况进行了调查分析，按照消毒技术规范标准进行细菌总数检测，用VITEK-2型全自动细菌鉴定仪鉴定细菌。结果发现，75%乙醇消毒剂细菌超标率为81%(5/62)，经鉴定为解淀粉芽孢杆菌、地衣芽胞杆菌、蜡样芽胞杆菌、嗜热芽胞杆菌。75%乙醇易受到革兰阳性芽胞杆菌的污染，医护人员应树立严格的消毒灭菌观念，在使用中容器应加盖，小瓶盛装并及时更换；配制时应对环境空气和容器进行严格消毒灭菌；同时应建立、健全医院消毒管理、监督制度。32.1.2在疾病治疗中的作用彭丽等人[10]对100例卵巢囊肿患者采用阴道B超引导下经阴道穿刺囊肿并注入无水乙醇治疗。术后1个月月经来潮第1天复查B超观察囊肿情况。结果治疗后1个月，月经来潮第1天复查B超，卵巢单纯性囊肿，黄体囊肿、巧克力囊肿消失率分别为66.7%、87.5%、50%。结论阴道B超引导下经阴道穹窿穿刺卵巢囊肿，并注入无水乙醇，操作简便，安全经济有效。医学上还涉及到超声引导无水乙醇硬化治疗巨大囊肿等[11]。2.1.3在药物中的作用乙醇在中药使用上也起着一定的作用，因为它能作为良好的有机溶剂，所以中医用它来送服中药，以溶解中药中大部分有机成分。酒精可以行药势，古人谓“酒为诸药之长”，酒精可以使药力外达于表而上至于颠，使理气行血药物的作用得到较好的发挥，也能使滋补药物补而不滞，另外，酒精有助于药物有效成分的析出。2.2乙醇在食物中的应用2.2.1乙醇在饮料制作中的应用乙醇是酒主要成分，但酒内的乙醇不是把乙醇加进去，而是发酵出来的乙醇，当然根据使用的发酵酶不同还会有乙酸或糖等物质。白酒的度数表示酒中含乙醇的体积百分比，通常是以20℃时的体积比表示的，如50度的酒，表示在100毫升的酒中，含有乙醇50毫升(20℃)。另外啤酒的度数是指啤酒生产原料麦芽汁的浓度，以12度的啤酒为例，是麦芽汁发酵前浸出物的浓度为12%(重量比)。麦芽汁中的浸出物是多种成分的混合物，以麦芽糖为主。啤酒中乙醇浓度一般低于10%。2.2.2乙醇在食品中的应用乙醇还有一个重要的作用就是防腐。利用乙醇的渗透性及杀菌力，可用作食品防腐剂。乙醇的杀菌机制：一是乙醇能使微生物生长的水分活性下降，渗透压上升。二是乙醇能对微生物的细胞壁，细胞膜产生影响，乙醇能使细菌所需水分减少，影响细菌代谢。另外，如在乙醇中添加矿物质可使乙醇的杀菌作用加强[12]。杨爱萍等人[13]研究了乙醇对果粒腐烂的抑制情况。结果发现，使用100-1000μL/L的乙醇熏蒸杨梅，显著抑制了果实在1℃冷藏时腐烂的发生，且乙醇浓度越高，果实腐烂程度也越轻。陈自来等人[14]采用200μL/L的乙醇处理树莓，也显著抑制了树莓在10℃冷藏期间的果实腐烂。2.3燃料乙醇燃料乙醇也称生物燃料、燃料酒精、汽油醇、乙醇汽油等，它是在汽油或柴油中加入一定比例的乙醇所形成的改进型混合燃料，其实现工业化生产始于巴西。巴西发4展燃料乙醇基于两方面的考虑，一方面是国内石油资源匮乏；另一方面是国内盛产甘蔗，农业资源丰富。为了有效促进本国的经济发展，减少能源的对外依赖程度，巴西通过立法确立了用燃料乙醇替代汽油的发展方向[15]。美国紧随其后，应用燃料乙醇的经济政策始于1978年。我国的燃料乙醇的应用始于20世纪60年代，我国由于备战和石油短缺，曾在部分地区用乙醇作为汽油的替代品使用，但由政府组织研究开发和推广应用是在20世纪末期。燃料乙醇，一般是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇[16]，是一种燃烧清洁的可再生高辛烷值的含氧生物燃料，含有的烃基(-R)与羟基(-OH)从本质上决定了乙醇可成为替代石油系燃料的内燃机代用燃料，用以代替四乙基铅[17]和甲基叔丁基醚（MTBE）[18]或乙基叔丁基醚（ETBE），乙醇加入汽油中对降低汽车尾气中的一氧化碳含量很有效，起到了净化空气的作用[19]。2.4乙醇作有机化工原料乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等的化工原料，也是制取、染料、涂料、洗涤剂等产品的原料。如氢燃料电池由于清洁、高效而备受关注，有可能成为汽车的一种主要的动力方式，但目前氢燃料电池的应用受到氢供给和氢储存的制约，设计一套从含氢的液体燃料及时制氢的可移动氢源，是解决此问题的方案之一，在众多的制氢液体原料中，由生物质发酵生成的乙醇有望成为最可行的可再生氢源。2.5乙醇溶剂乙醇作为溶剂在不同领域发挥着重要作用。王信春等人[20]利用恒电位电沉积法在以乙醇为溶剂的溶液中制备了铜铟镓硒(CIGS)薄膜。并采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和紫外-可见-近红外(UV-VIS-NIR)分光光度计分别对薄膜的形貌、成分、晶体结构和吸收特性进行了表征。结果表明在-1.6V(相对于饱和甘汞电极电位)工作电位下沉积的薄膜经450℃退火后能够形成形貌均匀致密、结晶性良好、带隙约为1.17eV的黄铜