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第1章 绪论 1

1.1 引言 2

1.1.1 丰富的生物质资源 2

1.1.2 发展燃料乙醇的推动力 2

1.1.3 原料趋势 4

1.1.4 我国的燃料乙醇产业 5

1.2 纤维素乙醇工程概述 7

1.2.1 开发进程 7

1.2.2 纤维素乙醇工程评价 8

1.2.3 遇到的主要问题 9

1.3 纤维素乙醇关键过程 10

1.3.1 预处理 10

1.3.2 酶解 11

1.3.3 发酵 12

1.3.4 产品精制 13

1.3.5 污水处理 13

1.4 前景展望 14

1.4.1 面临巨大需求 14

1.4.2 基础研究在突破 15

1.4.3 诞生了新的学科分支 15

1.4.4 进入工程化阶段 17

1.5 结语 17

参考文献 18

第2章 预处理工程 21

2.1 引言 22

2.2 木质纤维素酶解的限制因素 22

2.3 木质纤维素的结构组成 24

2.3.1 木质纤维素的组成 25

2.3.2 秸秆类原料细胞壁的微观结构及组成分布 30

2.3.3 木质纤维素生物质结构的复杂性及其抗降解屏障 33

2.4 木质纤维素分析方法 34

2.4.1 化学组成分析 34

2.4.2 物理特性分析 37

2.5 木质纤维素预处理技术 38

2.5.1 概述 38

2.5.2 中性预处理技术 41

2.5.3 酸性预处理 48

2.5.4 碱性预处理 57

2.5.5 生物预处理 62

2.5.6 预处理方法对比与评价 64

2.6 影响木质纤维素降解的因素及评价方法 67

2.6.1 预处理强度的评价 67

2.6.2 预处理对木质纤维素结构及组成的影响 68

2.6.3 预处理木质纤维素的酶解评价方法 70

2.6.4 预处理木质纤维素中的酶解和发酵抑制物 71

2.7 预处理关键设备 74

2.7.1 概述 74

2.7.2 干法备料设备 75

2.7.3 预处理设备 80

2.7.4 预处理设备工程化中遇到的主要问题 89

2.8 展望 90

参考文献 91

第3章 酶解工程 106

3.1 引言 107

3.1.1 纤维素酶的分子结构的研究 107

3.1.2 纤维素酶解机理 108

3.1.3 纤维素酶解过程及动力学的研究 108

3.2 纤维素水解方法 108

3.2.1 酸水解 109

3.2.2 酶水解 113

3.2.3 其他降解方法 115

3.3 木质纤维素降解酶系 118

3.3.1 纤维素酶的组成和分类 119

3.3.2 纤维素酶的结构与功能 123

3.3.3 纤维小体 126

3.3.4 半纤维素酶 130

3.3.5 嗜热纤维素酶 131

3.3.6 纤维素酶作用机理 132

3.3.7 纤维素酶活力测定 139

3.4 纤维素酶制备技术 144

3.4.1 产纤维素酶的微生物类群 144

3.4.2 高活力纤维素酶菌株的选育 146

3.4.3 纤维素酶的生产 153

3.4.4 纤维素酶的提纯 161

3.4.5 纤维素酶的商业化生产 163

3.5 酶解工艺与设备 165

3.5.1 纤维素底物特性 165

3.5.2 影响纤维素酶解的因素 166

3.5.3 各种酶解工艺评述 170

3.5.4 酶解反应器 175

3.5.5 提高酶解效率 180

3.6 研究方向及进展 187

3.6.1 存在的主要问题 187

3.6.2 酶解工程的研发方向 187

3.6.3 我国酶解工程研究进展 189

3.7 展望 191

3.7.1 高效产酶菌株 191

3.7.2 改进酶制备工艺 192

3.7.3 酶解新工艺 192

3.7.4 应用基础研究更加活跃 192

参考文献 193

第4章 发酵工程 212

4.1 发酵物料 213

4.1.1 不同原料酶解液物料组成 213

4.1.2 抑制物 214

4.2 纤维素乙醇发酵途径 215

4.2.1 己糖代谢途径 215

4.2.2 戊糖代谢途径 218

4.2.3 新的代谢途径设计 221

4.3 纤维素乙醇发酵菌株 221

4.3.1 自然发酵菌株 221

4.3.2 遗传改造的细菌 223

4.3.3 遗传改造的酵母菌 226

4.3.4 嗜热菌 227

4.3.5 菌株改造 230

4.3.6 示范装置应用的菌株 243

4.4 发酵工艺 244

4.4.1 乙醇发酵动力学 245

4.4.2 发酵过程流体力学 247

4.4.3 纤维素乙醇发酵方法 249

4.4.4 纤维素乙醇发酵工艺类型 251

4.4.5 影响发酵的工艺参数及控制 253

4.4.6 工艺改进与优化 262

4.5 纤维素乙醇发酵反应器 267

4.5.1 发酵物料特性 267

4.5.2 不同工艺的发酵反应器 268

4.5.3 反应器放大 271

4.5.4 反应器流场模拟 272

4.6 展望 273

参考文献 274

第5章 纤维素乙醇精制 288

5.1 纤维素发酵醪液特点 289

5.1.1 纤维素发酵醪液 289

5.1.2 对精馏系统的要求 292

5.2 纤维素乙醇精馏工艺与设备 292

5.2.1 乙醇蒸馏基本原理 292

5.2.2 乙醇精馏工艺流程 297

5.2.3 纤维素乙醇精馏工艺流程 299

5.2.4 万吨级纤维素乙醇精馏系统节能分析 303

5.2.5 纤维素乙醇精馏关键设备 315

5.3 脱水精制 322

5.3.1 特殊精馏脱水 322

5.3.2 吸附脱水 324

5.3.3 膜分离脱水 328

5.3.4 超临界流体萃取脱水 330

5.3.5 无水乙醇生产技术的比较 332

5.4 技术展望 334

参考文献 334

第6章 “三废”处理 338

6.1 引言 339

6.2 纤维素乙醇“三废”主要来源与特性 340

6.2.1 “三废”主要来源 340

6.2.2 废水理化指标与特性 340

6.2.3 处理纤维素乙醇废水的难点 344

6.3 废水处理基本原理 345

6.3.1 厌氧生物处理 345

6.3.2 好氧生物处理 347

6.3.3 生物脱氮处理 348

6.3.4 生物脱磷处理 349

6.4 纤维素乙醇废液处理技术应用 349

6.4.1 常用废水处理工艺 349

6.4.2 废水处理方法概述 362

6.4.3 废水处理技术应用 365

6.5 典型装置的污水处理工程实例 370

6.5.1 按预处理工艺分类的工程化方法 370

6.5.2 按废水处理工艺分类的工程化方法 373

6.5.3 国外纤维素乙醇污水处理案例 377

6.6 纤维素乙醇生产中废气和废渣处理方法 379

6.6.1 废气处理 379

6.6.2 废渣处理 382

参考文献 389

第7章 产品和技术经济评价 392

7.1 纤维素能源产品 393

7.1.1 纤维素乙醇产品 394

7.1.2 其他纤维素能源产品 398

7.1.3 产品方案 400

7.2 纤维素乙醇技术经济评价基础 403

7.2.1 纤维素乙醇工程现状 403

7.2.2 纤维素乙醇工艺分析 405

7.2.3 纤维素乙醇产业化环境 409

7.3 国外纤维素乙醇技术经济评价 415

7.3.1 概述 415

7.3.2 知名评价报告 416

7.4 国内技术经济评价案例 428

7.4.1 技术经济评价基础条件 428

7.4.2 技术经济评价方法及工艺描述 430

7.5 纤维素乙醇技术经济分析 432

7.5.1 总成本及投资估算 432

7.5.2 经济性分析 434

7.5.3 工程化风险分析 438

7.6 展望 444

7.6.1 纤维素乙醇已具备产业化环境 445

7.6.2 工程化装置可望实现商业运行 445

7.6.3 产品方案还可进一步优化 446

7.6.4 纤维素乙醇工程将日臻完善 446

7.6.5 纤维素乙醇工程将进一步发展 446

参考文献 447