工業上一般用發酵法、合成法和聯合生物加工法制取乙醇。
1.發酵法
發酵法是用淀粉原料(如谷類、薯類、玉米、高粱或野生植物果實)和糖質原料(如糖蜜、亞硫酸廢液)等發酵,前者是主要的發酵原料。發酵法是在釀酒基礎上發展起來的,在相當長的歷史時期內,曾是生產乙醇的唯一工業方法。在這個過程中,發生了一系列復雜的生化反應。以淀粉原料為例,整個生產過程包括原料蒸煮、糖化劑制備、糖化、酒母制備、發酵及蒸餾等工序。原料中的可溶性淀粉在酶的作用下水解為糖,再經過酵母菌發酵生成乙醇并放出二氧化碳(用糖質原料不需經過淀粉水解成葡萄糖這一步)。發酵液中乙醇的質量分數約為6%~10%,再經蒸餾工藝將乙醇濃縮為大約95.57%的酒精溶液。生產過程中的主要化學反應式為:
2.合成法
隨著近代有機工業的發展,可利用煉焦油、石油裂解所得的乙烯來合成乙醇。該法中的原料乙烯,可大量取自石油裂解氣,成本低,產量大,并且能大量節約糧食。化學合成法有直接水合法和間接水合法兩種,工業上普遍采用前者。
⑴直接水合法:乙烯與水蒸氣在有機磷催化劑存在的條件下,經高溫高壓作用,可直接發生加成反應生成酒精。該法步驟簡單,無腐蝕問題,但要求原料氣中乙烯純度在98%以上,需采用特殊的方法分離裂解其中的各種成分,對設備、材料都提出了較高要求。其化學反應式為:
⑵間接水合法:又稱為硫酸水合法,是用硫酸與乙烯經加成作用生成硫酸氫乙酯,再進行水解,生成乙醇和硫酸。該法對原料氣體的純度要求不高,設備簡化。缺點是對設備腐蝕嚴重,酸消耗多。其化學反應式為:
3.聯合生物加工法
生物轉化使用的原料大多為糧食作物,大量使用會影響到糧食安全,而利用生物能源轉化技術生產乙醇,可緩解非再生化石能源日漸枯竭帶來的能源壓力。因秸稈、麩皮、鋸木粉等農業、工業廢棄物含有大量的木質纖維素,所以來源廣泛的纖維素是很有潛力的生產乙醇的原料。另外,在生物燃料的生產過程中,纖維素的預處理和纖維素酶的生產成本較高,故減少預處理,增強纖維素酶活性,提高發酵產物的產量和純度,減少中間環節也是降低生產成本的途徑。聯合生物加工不包括纖維素酶的生產和分離過程,而是把糖化和發酵結合到由微生物介導的一個反應體系中,因此與其他工藝過程相比較,底物和原料的消耗相對較低,一體化程度較高。這種綜合方法的未來發展前景廣闊。
煤制乙醇的工藝路線
此外,近年來有文獻報道了煤制乙醇的方法。煤制乙醇是以煤為原料經氣化為合成氣或者以工廠廢氣(主要成分均為一氧化碳和氫氣)為原料,生產乙醇。目前,以煤為源頭生產燃料乙醇的工藝路線主要包括四條,都需要首先將煤氣化為合成氣。從合成氣生產燃料乙醇主要有兩種方法,即直接法和間接法。直接法可由兩條工藝路線實現:合成氣化學催化路線和合成氣厭氧發酵路線。間接法制乙醇是先采用成熟的甲醇合成技術,將合成氣轉化為甲醇,然后再將甲醇羰基化為醋酸,最后再進行醋酸直接加氫或者將醋酸酯化后加氫生產乙醇。
乙醇是常用的有機溶劑,在許多有機化學反應中,無論是作為反應物還是溶劑,乙醇的純度有時都對化學反應有著很大的影響。市售普通工業酒精是含95.6%乙醇和4.4%水的恒沸混合物,其沸點為78.15 ℃,用蒸餾的方法不能將乙醇中的水完全除去。若要得到含量較高的乙醇,可以把工業酒精與生石灰在一起進行加熱回流,使乙醇中的水分與氧化鈣充分反應,生成不揮發性的氫氧化鈣而除去。然后再采用蒸餾的方法把乙醇蒸出,這樣得到的乙醇的純度可達99.5%。其化學反應式為: [19]
若要得到純度更高的無水乙醇,可用金屬鎂進行處理,也可用分子篩法進行制取。