乙醇含量計算方法的改良

乙醇含量計算方法的改良第一頁，共十九頁，2022年，8月28日Contents生物乙醇及其分類

纖維素乙醇的傳統(tǒng)計算纖維素乙醇改良算法

纖維素乙醇的前景

4123目錄第二頁，共十九頁，2022年，8月28日纖維素乙醇

什么是纖維素生物質(zhì)？纖維素生物質(zhì)是由纖維素（30-50%），半纖維素（20-40%），和木質(zhì)素（15-30%）組成的復(fù)雜材料。纖維質(zhì)生物質(zhì)中的糖以纖維素和半纖維素的形式存在。纖維素中的六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一樣，可以用傳統(tǒng)的酵母發(fā)酵成乙醇。而半纖維素中含有的糖主要為五碳糖，傳統(tǒng)的酵母無法經(jīng)濟地將其轉(zhuǎn)化為乙醇每一種植物的確切成分都不盡相同。纖維素存在于幾乎所有的植物生命體中，是地球上最豐富的分子。第三頁，共十九頁，2022年，8月28日生物乙醇定義及其分類生物乙醇是以生物質(zhì)為原料，通過微生物發(fā)酵而生產(chǎn)的一種可再生能源。生物乙醇的分類第一代生物乙醇：利用糧食，比如，在美國是用玉米，在巴西是用甘蔗等等生產(chǎn)乙醇等生物能源。第二代生物乙醇：利用非糧食生物質(zhì)生產(chǎn)乙醇（cellulosicethanol）。來源是秸稈、稻殼、樹木枝葉、甘蔗渣等等第三代生物乙醇：利用藻類（如海藻活淡水藻類），通過對藻類進行養(yǎng)殖，等長成之后進行收獲曬干，然后通過酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。第四代生物乙醇：是一個創(chuàng)新，它是通過對藻類進行改造而生產(chǎn)乙醇。例如對藍藻進行改造，使其通過光合作用吸收二氧化碳直接生產(chǎn)乙醇、副產(chǎn)物以及氧氣。第四頁，共十九頁，2022年，8月28日傳統(tǒng)纖維素乙醇算法傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中計算乙醇含量是基于液體體積在生產(chǎn)前后不變的條件下，具體算法如下公式：

其中[ETOH]o和[ETOH]f分別表示反應(yīng)前后液體中乙醇濃度（g/L），0.511和1.111分別表示葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇的轉(zhuǎn)化率和纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖的轉(zhuǎn)化率。第五頁，共十九頁，2022年，8月28日傳統(tǒng)算法的局限性然而，在密閉的同步糖化和發(fā)酵體系中，通過冷淋器的作用，大量的氣態(tài)液體回流，以及隨著液態(tài)乙醇的生成而增加以及纖維素原料的水解過程水的消耗而降低，這致使總的液體體積始終在改變。實際的生產(chǎn)過程中由于高效價乙醇生成的質(zhì)量大約是纖維素降解過程中水消耗質(zhì)量的5倍，從而導(dǎo)致液體體積的巨大改變，傳統(tǒng)算法使[ETOH]f比實際要小，進而算的乙醇體積比實際的含量要低的多。第六頁，共十九頁，2022年，8月28日改良算法改善方法的基本思路和出發(fā)點就是把乙醇的濃度從g/L轉(zhuǎn)變成g/g，繼而從乙醇和水質(zhì)量的平衡來建立精確地計算方法。根據(jù)Lange的化學(xué)手冊，在15.6℃條件下，基于g/L轉(zhuǎn)化為基于g/g的轉(zhuǎn)換公式為：[C2]=1.0236×10-3×[C1]=其中[C1]、[C2]分別表示基于體積和質(zhì)量的濃度。水的消耗與乙醇的生成的質(zhì)量關(guān)系如下：(C6H10O6)n+nH2O-nC6H12O6-2nC2H5OH-2nCO2第七頁，共十九頁，2022年，8月28日剩余水的質(zhì)量由公式可知nmol水生成2nmol的乙醇?，F(xiàn)在假設(shè)有E（g）的生成，過程中加入W（g）水，消耗W1（g）水則W1（g）=那么過程中剩下的水質(zhì)量為W-（g）由于CO2尾氣收集發(fā)現(xiàn)幾乎不隨時間變化，故CO2的釋放忽略不計。第八頁，共十九頁，2022年，8月28日改良計算發(fā)放推導(dǎo)[C20]=其中[C10]（g/L）和[C20]（g/g）分別表示基于體積和質(zhì)量起始乙醇的濃度。E0表示同步糖化和發(fā)酵體系中乙醇的起始質(zhì)量，則E0=[C20]×W=最終的水和生成的乙醇質(zhì)量之和為E+E0+W-（g），此時乙醇基于質(zhì)量的濃度為[C2]=從而推導(dǎo)出改進的公式E=第九頁，共十九頁，2022年，8月28日Practicalethanolyield（%）進而最終Practicalethanolyield（%）=此公式只做了一個假設(shè)：存在于發(fā)酵液中的殘?zhí)?、抑制劑以及其它一些鹽類對于混合后水和乙醇體積的縮減影響不大。在實際同步糖化和發(fā)酵過程中，發(fā)酵液中這些物質(zhì)的濃度很低，如1L發(fā)酵液只含10g殘?zhí)?、幾乎沒有抑制劑存在，所以這樣的假設(shè)是合理的。第十頁，共十九頁，2022年，8月28日如果起始的乙醇含量忽略不計，那么上式可以簡化成：Practicalethanolyield（%）=

實驗的結(jié)果意味著基于乙醇質(zhì)量守恒的算法是有根據(jù)的和有效的。發(fā)酵過程中乙醇會存在于固態(tài)基質(zhì)以及液態(tài)的水中，但在基于乙醇質(zhì)量守恒計算過程中對于乙醇存在于兩相不作考慮。因此，主要存在于液相的乙醇可以用來近似代替同步發(fā)酵和糖化過程中總的乙醇含量。

在發(fā)酵過程中固相有大約90%的木質(zhì)素（不吸水）和10%的纖維素、半纖維素（吸水）。但是通過對木質(zhì)素的深度處理能使活性基團鈍化從而不再吸附乙醇，進而計算結(jié)果更加精確。

對于裝載不同固體基質(zhì)的同步糖化和發(fā)酵研究發(fā)現(xiàn)：隨著固體內(nèi)含物和酶量的增加，傳統(tǒng)計量誤差會增加，相應(yīng)的改進方法愈加精確。只考慮到用于乙醇發(fā)酵的大多數(shù)菌株都只會將葡萄糖代謝轉(zhuǎn)化為乙醇，所以以上的研究只關(guān)注纖維素代謝成乙醇的轉(zhuǎn)化率。但是，當(dāng)木糖代謝菌株用于乙醇發(fā)酵時，我們需要建立一個更廣泛和通用的公式來精確計算。第十一頁，共十九頁，2022年，8月28日纖維素乙醇的前景隨著石油資源的逐漸枯竭和環(huán)境的日益惡化，大力推廣使用可再生能源技術(shù)已成為許多國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，以減少對化石能源的依賴和溫室氣體的排放。被纖維素乙醇技術(shù)，是一種高端的清潔能源技術(shù)，因為它可以被用來替代傳統(tǒng)的糧食乙醇技術(shù)，利用地球上廣泛存在的纖維素質(zhì)生物原料生產(chǎn)清潔的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。用秸稈等農(nóng)作物廢棄物制備生物乙醇以取代化石能源的使用，一方面可以減少二氧化碳的排放，另一方面可以減少石油等化石能源的消耗。而在原料的采用上相對于使用玉米等糧食為原料的一代生物質(zhì)能，使用秸稈等原料更勝一籌。這些都使得生物乙醇將擁有一個閃耀的未來。第十二頁，共十九頁，2022年，8月28日第十三頁，共十九頁，2022年，8月28日第十四頁，共十九頁，2022年，8月28日第十五頁，共十九頁，2022年，8月28日第十六頁，共十九頁，2022年，8月28日