• 能源特征：洁净性、低能源品位、分散性
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生物能源的主要形式
• 薪柴：直接燃烧，热效率低 • 生物质发电 • 燃料乙醇：燃料乙醇指以生物物质为原料通过生
物发酵等途径获得的可作为燃料用的乙醇。 • 生物柴油：生物油脂进行酯交换反应 • 生物油和合成气：生物质热化学转化 • 生物制氢：微生物发酵生物质制氢气 • 沼气：微生物发酵农作物秸秆、禽畜粪便等有机
第10章 酒精发酵
燃料乙醇内容
• 生物能源和燃料乙醇 • 燃料乙醇发展概况 • 燃料乙醇生产原料 • 燃料乙醇发酵生产机制 • 燃料乙醇发酵生产微生物 • 燃料乙醇发酵生产 • 淀粉质原料乙醇生产工艺
一、生物能源和燃料乙醇
1、世界能源概况
化石能源是主流， 但仅能支撑300年
的大规模开采
世界能源消耗趋势1970-2025
(二)糖质原料
• 甘蔗是一种良好的制糖原料。20世纪70年代起，国 外开始直接利用甘蔗生产酒精，即利用甘蔗压榨或 萃取后的蔗汁进行酒精发酵。甘蔗法中可发酵固形 物包括蔗糖、淀粉及其他碳水化合物。
• 甜菜和甘蔗一样是主要的制糖原料。国外(如前苏 联和东欧诸国)有用过剩的甜菜或受冻、变质的甜 菜生产酒精。甜菜所含主要糖分是蔗糖。此外还含 少量其他碳水合物和果胶质。
• 利用糖质原料的酒母除啤酒酵母外，还有粟酒裂殖酵 母(Schizosaccharomyces pombe)和克鲁维酵母 (Kluyveromyces.sp)等
(二)酒精发酵微生物
• 除上述酵母菌外，一些细菌如森奈假单胞菌
(Ps.Lindneri) 、 运 动 发 酵 单 胞 菌 (Zymomonas mobilis)和嗜糖假单胞菌(Ps.saccharophila)，可
H
2NAD+ 2(NADH+H+
COOH
CHOH
脱羧酶
CHO
CH3
CH3
乙醇脱氢酶CH2OH
+2H+
CH3
CH2O P
C=O CH2OH
CHO CHOH
CH2O P
O=CO P 2 HCOH
CH2O P
COOH
2 C=O
CH3
COOH
2 COH
CH2
COOH
2 CO P
CH2
COOH
2 HCO P
CH2OH
三、酒精发酵原料
一、酒精发酵原料
(一)淀粉质原料 淀粉质原料是生产酒精的主要原料。我国发
酵酒精的80%是用淀粉质原料生产的，其中以 甘薯干等薯类为原料的约占45%，玉米等谷物 为原料的约占35%。
•1.薯类原料 包括甘薯、木薯和马铃薯等
1.薯类原料
• 甘薯北方俗称红薯、地瓜，南方称为山芋，蕃薯。新 鲜甘薯可能直接作酒精生产原料，但一般将鲜甘薯制 成薯干，这样便于保存并能供工厂全年使用。
• 淀粉质原料生产酒精分为原料预处理、原料蒸 煮、糖化剂制备、糖化、酒母制备、乙醇发酵和蒸 馏等工艺，工艺流程如下图.
(一)淀粉质原料酒精发酵工艺
• 1.原料预处理 • 2.蒸料 • 3.糖化曲制备 • 4.糖化 • 5.酒母制备
世界燃料乙醇产量
来源：化工进展，2011，,3（1），137
世界燃料乙醇产量分布图
来源：化工进展，2011，,3（1），137
二、酒精发酵机理
酒精发酵的反应式
C6H12O6
2CH3CH2OH+2CO2
C6H12O6 + 2NAD+ + 2pi
2CH3COCOOH +
2NADH + 2H+ +2H2O 2CH3COCOOH + 2NADH + 2H+
十一五规划第十二章第四节里面提到
加快开发生物 质能，支持发 展秸秆、垃圾 焚烧和垃圾填 埋气发电，建 设一批秸秆和 林木质电站， 扩大生物质固 体成型燃料、 燃料乙醇和生 物柴油生产能 力。
全球酒精消费结构
Million liters / a
Rapidly Increasing demand spurs a sharply growth of bioethanol production from 2000. Most of them are used for fuel.
物，主产物是甲烷
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3、燃料乙醇
主要内容
• 酒精概述 • 酒精发酵机理 • 酒精发酵原料 • 酒精发酵菌种 • 淀粉质原料酒精发酵工艺 • 糖质酒精发酵工艺 • 纤维质酒精生产工艺
一、酒精概述
• 乙醇是醇类的一种，是酒的主要成份，俗称酒精， 它在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色透 明液体，它的水溶液具有特殊的、令人愉快的香 味，并略带刺激性。
其他粮食一般较少用于生产酒精，只有当其他原 料不足，或谷物受潮发热霉变的情况下才用谷物 原料（陈化粮）。
(二)糖质原料
• 常用的糖质原料有糖蜜、甘蔗、甜菜和甜高梁等。 • 糖蜜又称废糖蜜，它是干蔗或甜菜糖厂制糖过程
中形成的一种副产物，分别称为甘蔗糖蜜和甜菜 糖蜜，其产量分别为加工甘蔗和甜菜间的30%左 右和3.5%～5%。 • 糖蜜含糖量较高，一级甘蔗糖蜜含糖分50%以上， 甜菜糖蜜含糖量50%左右，所含主要成分为蔗糖。
45% 25%
半纤维素 Hemicellulose
5% 其他成分 25%
木质素 Lignin
(四)其他原料
• 主要指亚硫酸盐纸浆废液、甘薯和马铃薯淀 粉渣、各种野生植物和乳清等。用这些原料生 产酒精目前还不多见。
四、与酒清发酵有关的微生物
二、与酒清发酵有关的微生物
• (一)糖化菌 • 用淀粉质原料生产酒精时，在进行乙醇发酵之前，
(二)糖质原料
• 甜高粱是一种高秆作物，起源于美国。 其秆中含糖分10%～12%，所结的高粱 米富含淀粉，均可用于发酵酒精，是具 有潜在发展前途的糖质原料。
• 糖质原料生产酒精工序简单，成本比较 低，是酒精发酵的理想原料，只是制糖 和其他发酵工业也都需要糖质原料，能 用到酒精生产上的不太多，特别是我国 糖质原料用于酒精生产较为有限。
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世界各国二氧化碳排放量：1950 年至今 的总排放量
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可再生能源是未来发展的重点
依赖自然 条件
可再生、环 保、地域限
制小
高技术、危 险系数高
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2、 生物质和生物能
• 生物质是指由光合作用而产生的各种有机体，人们 常将生物质所含有的能量简称为生物能。
• 生物质是以C、H为基本组成的有机化合物，生物能 属于化学能。
• 我国的糖化菌种经历了从米曲霉到黄曲霉，进而发 展到用黑曲霉的过程
(一)糖化菌
• 我 国 20 世 纪 70 年 代 选 育 出 黑 曲 霉 新 菌 株 As.3.4309(UV-11)，该菌株性能优良，目前的过 程。我国很多酒精厂和酶制剂厂都以该菌种生产 麸曲、液体曲以及糖化酶等，新的糖化菌株也都 是As.3.4309的变异菌株。
• 历史上曾用过的曲霉包括黑曲霉、白曲霉、黄曲霉、 米曲霉等。
– 黑曲霉群中以宇佐美氏曲霉(Aspergillus usamii)、泡盛曲 霉(Asp.awamori)和甘薯曲霉(Asp.batatae)应用最广。
– 白曲霉以河内白曲霉、轻研二号最为著名。酒精和白酒 生产中，不断更新菌种，是改进生产、提高淀粉利用率 的有效途径之一。
2CH3CH2OH +
2CO2 + 2NAD+
由于生物发酵的生化反应机理明了，同时具有高产、 稳产，操作简单，是制备酒精的完美选择。
CH2OH
O
H
OH OH
H
H OH
CH2O P O
H HH
OH
OH OH
H
H OH
P OCH
H
2
OH
HH
o
HO
OH
H
o OH P OCH2
H
HH
HO
OH
H
CH2O P
酵母菌的乙醇发酵
• 发酵过程中除主要生成乙醇外，还生成少量的其 他副产物，包括甘油、有机酸（主要是琥珀酸）、 杂醇油（高级醇）、醛类、酯类等，理论上1mol 葡萄糖可产生2mol乙醇；即180克葡萄糖产生92克 乙醇，得率为51.5%。
• 因酵母菌体的积累约需2% 的葡萄糖，另外2%的 葡萄糖用于形成甘油，0.5%用于形成有机酸， 0.2%用于形成杂醇油。因此实际上得率只有约47 ％。
目前的工业生产模式不可持续
• 化石资源－不可再生资源→资源危机 • 化石燃料－不可再生能源→能源危机 • 三废排放－生态环境污染→环境危机
可持续发展
可再生资源 清洁生产工艺 环境友好产品
生物质资源开发 生物加工工艺
木质纤维素
酶法有机转化
绿色生物产品 生物酒精
乙醇汽油
• 目前，巴西是世界上最用乙醇汽油中乙醇含量已 达到20%。
• 根霉和毛霉也是常用的糖化菌。著名的阿米诺法， 即是以根霉作糖化菌的酒精生产方法。著名的根 霉菌有东京根霉(又叫河内根
霉)(R.tonkinensis)、鲁氏毛霉(M.rouxii)和爪 哇根霉(R.javanicus)等。
(二)酒精发酵微生物
• 许多微生物都能利用已糖进行酒精发酵，但在实际生 产中用于酒精发酵的几乎全是酒精酵母，俗称酒母。
• 利用淀粉质原料的酒母在分类上叫啤酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 。繁殖速度快，发酵能力 即产酒精能力强，并具有较强的耐酒精能力。常用的 酵母的菌株有南阳酵母(1300及1308)、拉斯2号酵母 (Rasse Ⅱ)、拉斯12号酵母(Rasse ⅪⅠ)、K字酵母、M 酵母(Hefe M)、日本发研1号、卡尔斯伯酵母等。