第九章-化工新技術(shù)與展望(4學(xué)時(shí))

1、第九章化工新技術(shù)與展望第一節(jié)生物化工技術(shù)1.1概述近年來，石油天然氣等價(jià)格飛漲，下游企業(yè)面臨嚴(yán)峻的運(yùn)行危機(jī)。解決危機(jī)的主要途徑之一就是轉(zhuǎn)向以生物可再生資源為原料，反應(yīng)條件溫和、能耗低、選擇性好、過程高效、可持續(xù)發(fā)展的新領(lǐng)域——生物化工。生物化工是化學(xué)工程的一個(gè)前沿分支。它應(yīng)用化學(xué)工程的原理和方法，研究解決有生物體或生物活性物質(zhì)參與的生產(chǎn)過程即生物反應(yīng)過程中的基礎(chǔ)理論及工程技術(shù)問題。它作為生物化學(xué)、微生物學(xué)及化學(xué)工程之間的邊緣學(xué)科，是生物

2、技術(shù)中將近代生物學(xué)的成就轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)力所必不可少的重要組成部分。1.1.1生物化工的定義及特點(diǎn)生物化工是化學(xué)工程與技術(shù)一級(jí)學(xué)科中包括的主要二級(jí)學(xué)科之一，是生物工程領(lǐng)域的重要組成部分，是運(yùn)用化學(xué)工程科學(xué)的原理和方法，對(duì)生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)成果加以開發(fā)和工程化的一門學(xué)科，廣泛服務(wù)于化學(xué)工業(yè)、制藥工業(yè)、食品工業(yè)、農(nóng)藥工業(yè)、環(huán)境生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義，有很強(qiáng)潛在的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。生物化工具有以下特點(diǎn)：(1)原料可再生性：采用生物

3、技術(shù)生產(chǎn)化學(xué)品一般都以光合作用產(chǎn)物及其加工品等可再生資源為原料，來源豐富，價(jià)格較低，如淀粉、糖蜜、農(nóng)作物的秸桿等，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料危害性較小，有利于經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。但原料成分常難以控制，給生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量控制帶來一定困難和影響。(2)生產(chǎn)過程溫和：在菌種的催化作用下，生產(chǎn)過程一般都在常溫常壓下進(jìn)行，區(qū)別于許多化學(xué)反應(yīng)需在高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等劇烈條件下進(jìn)行，因而安全性極高。但酶催化劑易于失活，易受環(huán)境的影

4、響和雜菌的污染一般不能長時(shí)間使用，常以分批操作生產(chǎn)為主。(3)反應(yīng)專一性：由生物酶催化反應(yīng)一般都有很好的專一性，不僅有底物專一性，而且還有立體化學(xué)專一性，因此現(xiàn)代生物技術(shù)過程副反應(yīng)極少。(4)設(shè)備同一性：生物技術(shù)生產(chǎn)化學(xué)品的設(shè)備一般都很相似，常可更換生產(chǎn)品種，而不像傳統(tǒng)化工設(shè)備有明顯的專一性。1.1.2生物化工技術(shù)發(fā)展概況生物化工發(fā)展至今經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)。它的發(fā)展大致概括為3個(gè)時(shí)期：從19世紀(jì)80年代起到20世紀(jì)30年代末，不少發(fā)酵產(chǎn)品

5、，如乳酸、面包酵母、乙醇、檸檬酸等相繼投入生產(chǎn)，這是屬于第一代生物化工產(chǎn)品。這一時(shí)期的特點(diǎn)是工業(yè)生產(chǎn)是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的簡單放大，人們著重于工藝的研究，而未形成嚴(yán)格的工程學(xué)科。第二代的生物化工產(chǎn)品從20世紀(jì)40年代隨著抗生素工業(yè)的興起而出現(xiàn)的。在這一時(shí)期，在具有通氣攪拌裝置的發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)青霉素產(chǎn)生菌的方法出現(xiàn)了，代替了原來用上千個(gè)瓶子進(jìn)行表面培養(yǎng)的產(chǎn)生方法。這一時(shí)期，化工工程師成功地解決了好氣性微生物的大規(guī)模培養(yǎng)中的氧供應(yīng)、培養(yǎng)基和空氣的

6、滅春天，同時(shí)為我國綠色食品和無公害食品的生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。1.2.2生物柴油柴油分子是由15個(gè)左右的碳鏈組成的。研究發(fā)現(xiàn)，植物油分子則一般由1418個(gè)碳鏈組成，與柴油分子中的碳鏈數(shù)相近。因此，生物柴油就是一種用油菜籽等可再生植物油加工制取的新型燃料。按化學(xué)成分分析，生物柴油燃料是一種高脂酸甲烷，它是通過以不飽和油酸C18為主要成分的甘油脂分解而獲得的。與常規(guī)柴油相比，生物柴油具有下述無法比擬的性能。一是點(diǎn)火性能佳。生物柴油的關(guān)鍵指標(biāo)十

7、六烷值較高，大于45(石化柴油為45)，抗爆性能優(yōu)于石化柴油，從而使催化劑和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的使用壽命加長；二是燃燒更充分。生物柴油含氧量高于石化柴油，可達(dá)11％，在燃燒過程中所需的氧氣量較石化柴油少，燃燒殘留物呈微酸性；三是適用性廣。生物柴油除了可作為公交車、卡車等柴油機(jī)的替代燃料外，還可作為海洋運(yùn)輸、水域動(dòng)力設(shè)備、地質(zhì)礦業(yè)設(shè)備、燃料發(fā)電廠等非道路用柴油機(jī)的替代燃料；四是保護(hù)動(dòng)力。生物柴油較柴油的運(yùn)動(dòng)粘度稍高在不影響燃油霧化的情況下，更容易

8、在汽缸內(nèi)壁形成一層油膜，從而提高運(yùn)動(dòng)機(jī)件的潤滑性，降低機(jī)件磨損；五是通用性好。使用生物柴油時(shí)無須改動(dòng)柴油機(jī)，可直接添加使用，無需另添設(shè)加油及儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，無需人員的特殊技術(shù)訓(xùn)練；六是安全可靠。生物柴油的閃點(diǎn)較石化柴油高，有利于安全儲(chǔ)運(yùn)和使用；七是節(jié)能降耗。生物柴油其本身即為燃料，以一定比例與石化柴油混合使用可以降低油耗、提高動(dòng)力性；八是氣候適應(yīng)性好。生物柴油由于不含石蠟，低溫流動(dòng)性佳，適用區(qū)域廣泛；九是功用多。生物柴油不僅可做燃油又可作為添

9、加劑促進(jìn)燃燒效果，從而具有雙重功能。從發(fā)展歷程來看，生物柴油的生產(chǎn)方法主要有直接混合法、微乳化法、熱解法、酯交換法和加氫裂化法，工藝對(duì)比如表9.1所示。表9.1生物柴油制備方法比較工藝主要生產(chǎn)過程優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)直接混合法降植物油與礦物柴油或醇類相混合降低植物油密度和黏度，工藝簡單燃油霧化性能差，燃燒不充分，長期使用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)損害大微乳化法用乳化劑將植物油分散到黏度較低的甲醇、乙醇等溶劑中稀釋植物油，降低黏度，工藝簡單受環(huán)境限制，性質(zhì)不穩(wěn)定，難以