燃料乙醇工艺的化学工程探究

2023-03-01

燃料乙醇是在古老的发酵酒精技术基础上形成的清洁可再生能源形式, 其在社会经济活动中的应用不仅能够提升燃料的燃烧效率问题, 还能够有效的控制石化燃料燃烧的污染问题, 是当前最为现实的一种清洁可再生能源形式。因此对燃料乙醇工艺的化学工程的探究具有鲜明的现实意义。

1 发酵过程中的化学工程问题

1.1 多尺度问题

从本质角度来讲乙醇的发酵过程是一个综合性的反应过程, 包含了微生物学、生物化学和化学工程学的复杂内容, 所以对乙醇发酵过程的研究不能片面的从其中任何一个角度出发来进行, 而应该立足于乙醇发酵制备的实际从“多尺度”角度出发进行研究。“多尺度”理论现代科学逐渐走向融合的一种具象表现, 其反映的主要问题就是复杂综合性反应过程的多种衡量尺度问题。乙醇的发酵过程存在微生物、生物化学和化学工程学的尺度形式, 就注定乙醇发酵的过程不能以任何一种形式单独衡量, 而应该从生物和化学两个主要层次出发, 对反应器中的细胞代谢物质流和化学物质流进行综合性的系统分析。

1.2 动力学与放大问题

乙醇发酵过程前期主要的活动内容是乙醇原料的液化、糖化等, 在初期阶段结束以后进入到乙醇的应用特性控制阶段。这一阶段解决的主要问题是其发酵反应的动力学问题, 也就是发酵反应能否继续下去的关键问题, 主要包括有两个层次, 一是本征动力学, 主要是指从一种物质形式的本质属性出发对发酵生物反应固有速率的研究;二是宏观动力学, 主要是从乙醇制备的反应器整体角度出发, 充分考虑反应器中原料物质之间的能量传递情况的动力学研究。其中酶催化反应是应用最广泛的一种动力学模型[1]。

1.3 发酵罐多场问题

在具体的乙醇发酵过程中发酵罐是发酵功能实现的主要设备, 而乙醇的发酵过程是一个复杂的过程, 发酵过程中受各种因素的影响, 温度、浓度等各种反应特性的传递会受到限制, 从而在罐内形成不同的反应场, 这种不规则分布的反应场会对反应的正常进行产生影响, 例如对氧在发酵液中的传递速度、固定化酶传播等反应应有的过程产生影响, 进而影响发酵反应的质量。但是正是发酵罐中的这种多场现象, 为研究人员提供了干预发酵罐中发酵反应的契机, 通过对反应罐中多场化现象的研究和有效利用, 可以实现对乙醇发酵过程的人工干预, 为乙醇质量的提升奠定了基础[2]。

2 提纯过程中的化学工程问题

使用发酵方法制作乙醇制得的发酵液中, 乙醇的含量较低, 通常情况下只有5%到12%之间, 这种浓度的乙醇是无法用作燃料的, 所以在乙醇发酵工作完成后对乙醇溶液进行提纯是一个必要的环节。当前应用最广泛的乙醇提纯技术是蒸馏技术, 通过精蒸馏的方法将乙醇中的水分有效排出, 通常情况下使用这种提纯技术只能将乙醇的含量提升到90%左右, 在这种纯度基础上再使用蒸馏技术进行提纯, 其提纯效率已经极低。所以为了保证乙醇溶液实现有效的工业应用, 应该使用综合提纯方法对其进行提纯, 提纯活动中首先以精蒸技术对乙醇溶液进行粗提纯, 在提纯形成的90%乙醇溶液基础上再应用萃取、共沸和吸附等精提纯工艺做进一步提纯, 形成工业应用需求的相应浓度乙醇产品[3]。

3 生物发酵反应与分离过程的耦合

从乙醇发酵工艺角度来看, 现代乙醇制作工艺研究的内容还是一些基础性的内容, 涉及到乙醇制作的具体工艺步骤, 而生物发酵反应与分离的耦合并不是一种单纯的乙醇发酵制作工艺的完善, 而是从乙醇制造整体角度出发对乙醇制造过程中的能量传递和化学反应的优化。从当前的乙醇制备角度来看乙醇制造存在着一个乙醇分离和提纯的过程, 这两个过程的分离导致了整个制备过程制备资源和能量的浪费, 如果能够将乙醇的分离过程和提纯过程结合在一起, 也就是说提升发酵分离过程产生的乙醇溶液浓度, 就能够减少乙醇提纯过程的负担, 甚至可以实现化学反应结束以后直接制得符合浓度要求乙醇的目标。这种生物发酵反应与分离过程的耦合极大的提升了乙醇制备的效率, 是乙醇制备工艺发展的未来技术[4]。

4 结语

燃料乙醇是当前实用性崔强的清洁能源技术形式, 其制备工艺的发展对我国能源危机的化解、能源结构的优化具有鲜明的现实意义。本文从发酵过程中的化学工程问题、提纯过程中的化学工程问题和生物发酵反应与分离过程的耦合三个角度对这一问题进行了简要分析, 认为当前燃料乙醇技术存在的主要问题集中在发酵反应过程的控制、分离提纯技术的应用两个方面, 针对这一问题应该从乙醇制备的整体角度出发, 切实将发酵过程与提纯过程结合在一起, 从二者耦合的层面出发去解决。

摘要：燃料乙醇是现代科学技术支持下形成的新型能源之一, 其本身的原料易得性和使用环保性使其成为当前最为现实的替代能源形式。对优化我国能源结构、提升能源清洁性具有重要意义, 本文立足于燃料乙醇工艺的实际, 从化学工程的角度出发对这一问题进行简要分析。

关键词：燃料乙醇,化学工程,探究