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第一部分 基础3

1 前言3

1.1 生物炼制3

1.2 生物燃料简述5

1.3 能量利用6

1.4 能量利用效率8

1.5 生物燃料生产和使用10

1.6 替代能源12

1.7 环境影响13

1.8 本书纵览14

参考文献15

2 生物化学反应的能量捕获17

2.1 前言和基本定义17

2.2 有机异养代谢的生化途径概述19

2.2.1 有氧呼吸19

2.2.2 厌氧呼吸23

2.2.3 发酵25

2.3 无机营养生长的生化途径概述30

2.4 光合自养的生化途径概述31

2.4.1 光反应32

2.4.2 暗反应33

2.5 化学需氧量的定义和重要性33

致谢35

参考文献36

3 生物燃料生产的微生物模型37

3.1 前言37

3.2 微生物生长模型概要37

3.2.1 非结构、单营养因子限制模型38

3.2.2 抑制模型39

3.2.3 多底物限制模型42

3.2.4 得率参数44

3.3 动力学速率的表达45

3.3.1 温度效应47

3.4 生物燃料生产的反应器运行和设计48

3.4.1 批次反应器50

3.4.2 连续搅拌釜反应器（CSTR）50

3.4.3 能回收细胞的CSTR52

3.4.4 流加补料系统54

3.4.5 活塞流反应器系统55

3.5 生物反应器设计策略57

3.6 葡萄糖利用和产氢模型58

3.6.1 批次发酵和模拟59

3.6.2 CSTR发酵和模拟61

总结64

参考文献65

第二部分 生物燃料69

4 生物燃料原料69

4.1 淀粉类原料69

4.1.1 谷物类69

4.1.2 其他粮食78

4.1.3 块根作物78

4.2 糖类原料79

4.2.1 甘蔗79

4.2.2 甜菜80

4.3 木质纤维原料80

4.3.1 林业产品及剩余物81

4.3.2 农业剩余物82

4.3.3 农产品加工副产物84

4.3.4 专用能源作物84

4.4 植物油和动物油脂88

4.5 其他原料91

4.5.1 动物排泄物91

4.5.2 城市固体废弃物94

参考文献94

5 乙醇生产105

5.1 利用糖和淀粉类原料生产乙醇105

5.1.1 微生物105

5.1.2 过程技术111

5.2 利用木质纤维原料生产乙醇133

5.2.1 基本概念133

5.2.2 糖平台134

5.2.3 合成气平台158

致谢174

参考文献174

6 生物柴油197

6.1 前言197

6.1.1 环境考虑199

6.2 生物柴油生产的化学和热力学201

6.2.1 转酯化202

6.2.2 酯化202

6.2.3 脂肪酶催化的相互酯化和转酯化203

6.2.4 副反应：皂化和水解203

6.2.5 醇效应204

6.2.6 碱催化204

6.2.7 酸催化206

6.2.8 酶催化208

6.2.9 超临界酯化和转酯化208

6.2.10 热力学和反应动力学210

6.3 油脂资源和生产219

6.3.1 植物油脂219

6.3.2 微生物和微藻油脂223

6.3.3 餐饮废油233

6.3.4 直喷植物油脂233

6.3.5 油脂的生物合成和修饰234

6.4 副产物236

6.5 生物柴油生产的方法238

6.5.1 生物柴油生产的通用流程239

6.5.2 中试和商业规模245

6.5.3 质量控制分析技术247

6.6 经济学250

6.6.1 原料成本252

6.6.2 制造成本255

6.6.3 投资成本255

6.6.4 运行成本257

6.7 总结和结论258

致谢259

问题260

参考文献262

7 生物制氢269

7.1 前言269

7.1.1 重要的酶269

7.1.2 非生物制氢271

7.2 光生物制氢271

7.2.1 直接生物光解272

7.2.2 间接生物光解273

7.2.3 光发酵273

7.2.4 光生物制氢的潜力274

7.3 发酵制氢274

7.3.1 综述274

7.3.2 能量分析275

7.3.3 热袍菌目276

7.3.4 热袍菌发酵制氢的生化途径276

7.3.5 其他细菌制氢277

7.3.6 副产物形成279

7.3.7 批次发酵280

7.3.8 氢抑制281

7.3.9 硫元素的作用——合成硫281

7.3.10 源自农业剩余物的其他碳源利用284

7.3.11 工艺和培养参数287

7.4 氢检测、定量和报告290

7.4.1 氢检测291

7.4.2 总气压292

7.4.3 水蒸气压力292

7.4.4 氢分压292

7.4.5 氢气浓度293

7.4.6 用mol H2/L（培养基）来表示氢气浓度294

7.4.7 氢气生成速率294

7.4.8 液体中溶解的氢294

7.5 PEM燃料电池发酵反应器体积计算297

致谢299

参考文献299

8 微生物燃料电池303

8.1 综述303

8.2 生化基础303

8.3 前期研究总结305

8.4 燃料电池设计308

8.4.1 阳极室308

8.4.2 微生物菌种309

8.4.3 氧化还原介质310

8.4.4 阴极室311

8.4.5 交换膜312

8.4.6 功率密度与电阻的函数关系313

8.5 MFC性能计算方法314

8.5.1 底物和生物量测定314

8.5.2 功率计算315

8.5.3 计算示例317

8.6 MFC性能318

8.6.1 功率密度与底物的函数关系318

8.6.2 单室和双室设计的比较320

8.6.3 单室设计320

8.6.4 废水处理效果321

8.7 制造示例322

8.8 未来发展方向323

参考文献325

9 甲烷329

9.1 前言329

9.2 甲烷合成的微生物学329

9.2.1 甲烷合成环境329

9.2.2 甲烷工艺概述330

9.2.3 微生物群落332

9.3 甲烷合成的生物质原料334

9.4 系统338

9.4.1 反应器条件339

9.4.2 工艺设计340

9.5 沼气组成和利用343

参考文献344

附录：转换因子和常数347

索引351

Part 1 The Basics3

1 Introduction3

1.1 Biorefinery3

1.2 Description of Biofuels5

1.3 Energy Use6

1.4 Efficiency of Energy Use8

1.5 Biofuels Production and Use10

1.6 Alternative Energies12

1.7 Environmental Impact13

1.8 Book Overview14

References15

2 Harvesting Energy from Biochemical Reactions17

2.1 Introduction and Basic Definitions17

2.2 Biochemical Pathways Review for Organoheterotrophic Metabolism19

2.2.1 Aerobic Respiration19

2.2.2 Anaerobic Respiration23

2.2.3 Fermentation25

2.3 Biochemical Pathways Overview for Lithotrophic Growth30

2.4 Biochemical Pathways Overview for Phototrophic Metabolism31

2.4.1 Light Reactions32

2.4.2 Anabolic(Dark)Reactions33

2.5 Definition and Importance of Chemical Oxygen Demand33

Acknowledgments35

References36

3 Microbial Modeling of Biofuel Production37

3.1 Introduction37

3.2 Summary of Microbial Growth Models37

3.2.1 Unstructured,Single Limiting Nutrient Models38

3.2.2 Inhibition Models39

3.2.3 Models for Multiple Limiting Substrates42

3.2.4 Yield Parameters44

3.3 Kinetic Rate Expressions45

3.3.1 Temperature Effects47

3.4 Bioreactor Operation and Design for Biofuel Production48

3.4.1 Batch Reactors50

3.4.2 Continuous Stirred Tank Reactors50

3.4.3 CSTR with Cell Recycle52

3.4.4 Fed-Batch Systems54

3.4.5 Plug Flow Systems55

3.5 Bioreactor Design Strategies57

3.6 Modeling of Glucose Utilization and Hydrogen Production58

3.6.1 Batch Fermentations and Simulations59

3.6.2 CSTR Fermentations and Simulations61

Summary64

References65

Part 2 Biofuels69

4 Biofuel Feedstocks69

4.1 Starch Feedstocks69

4.1.1 Cereal Grains69

4.1.2 Other Grains78

4.1.3 Tubers and Roots78

4.2 Sugar Feedstocks79

4.2.1 Sugarcane79

4.2.2 Sugar Beet80

4.3 Lignocellulosic Feedstocks80

4.3.1 Forest Products and Residues81

4.3.2 Agricultural Residues82

4.3.3 Agricultural Processing By-Products84

4.3.4 Dedicated Energy Crops84

4.4 Plant Oils and Animal Fats88

4.5 Miscellaneous Feedstocks91

4.5.1 Animal Wastes91

4.5.2 Municipal Solid Waste94

References94

5 Ethanol Production105

5.1 Ethanol Production from Sugar and Starch Feedstocks105

5.1.1 Microorganisms105

5.1.2 Process Technology111

5.2 Ethanol Production from Lignocellulosic Feedstocks133

5.2.1 Basic Concept133

5.2.2 The Sugar Platform134

5.2.3 The Syngas Platform158

Acknowledgments174

References174

6 Biodiesel197

6.1 Introduction197

6.1.1 Environmental Considerations199

6.2 Biodiesel Production Chemistry and Thermodynamic Aspects201

6.2.1 Transesterification202

6.2.2 Esterification202

6.2.3 Lipase-Catalyzed Interesterification and Transesterification203

6.2.4 Side Reactions:Saponification and Hydrolysis203

6.2.5 Alcohol Effect204

6.2.6 Base or Alkali Catalysis204

6.2.7 Acid Catalysis206

6.2.8 Enzyme Catalysis208

6.2.9 Supercritical Esterification and Transesterification208

6.2.10 Thermodynamics and Reaction Kinetics210

6.3 Oil Sources and Production219

6.3.1 Plant Oils219

6.3.2 Microbial and Algal Oils223

6.3.3 Used Cooking Oils233

6.3.4 Straight Vegetable Oil233

6.3.5 Biosynthesis of Oils and Modification234

6.4 Coproducts236

6.5 Methods of Biodiesel Production238

6.5.1 General Biodiesel Production Procedures239

6.5.2 Pilot and Commercial Scale245

6.5.3 Quality Control Analytical Technique247

6.6 Economics250

6.6.1 Feedstock Cost252

6.6.2 Manufacturing Cost255

6.6.3 Capital Cost255

6.6.4 Operating Cost257

6.7 Summary and Conclusions258

Acknowledgments259

Problems260

References262

7 Biological Production of Hydrogen269

7.1 Introduction269

7.1.1 Important Enzymes269

7.1.2 Abiotic H2 Production271

7.2 Photobiological H2 Production271

7.2.1 Direct Biophotolysis272

7.2.2 Indirect Biophotolysis273

7.2.3 Photofermentation273

7.2.4 Photobiological H2 Production Potential274

7.3 Hydrogen Production by Fermentation274

7.3.1 Overview274

7.3.2 Energetics275

7.3.3 Thermotogales276

7.3.4 Biochemical Pathway for Fermentative H2 Production by Thermotoga276

7.3.5 Hydrogen Production by Other Bacteria277

7.3.6 Coproduct Formation279

7.3.7 Batch Fermentation280

7.3.8 Hydrogen Inhibition281

7.3.9 Role of Sulfur—Sulfidogenesis281

7.3.10 Use of Other Carbon Sources Obtained from Agricultural Residues284

7.3.11 Process and Culture Parameters287

7.4 Hydrogen Detection,Quantification,and Reporting290

7.4.1 Hydrogen Detection291

7.4.2 Total Gas Pressure292

7.4.3 Water Vapor Pressure292

7.4.4 Hydrogen Partial Pressure292

7.4.5 Hydrogen Gas Concentration293

7.4.6 Hydrogen Concentration Expressed as mol H2/L Media294

7.4.7 Hydrogen Production Rate294

7.4.8 Dissolved H2 Concentration in Liquid294

7.5 Fermentation Bioreactor Sizing for PEM Fuel Cell Use297

Acknowledgment299

References299

8 Microbial Fuel Cells303

8.1 Overview303

8.2 Biochemical Basis303

8.3 Past Work Summary305

8.4 Fuel Cell Design308

8.4.1 Anode Compartment308

8.4.2 Microbial Cultures309

8.4.3 Redox Mediators310

8.4.4 Cathode Compartment311

8.4.5 Exchange Membrane312

8.4.6 Power Density as Function of Circuit Resistance313

8.5 MFC Performance Methods314

8.5.1 Substrate and Biomass Measurements314

8.5.2 Basic Power Calculations315

8.5.3 Calculation Example317

8.6 MFC Performance318

8.6.1 Power Density as Function of Substrate318

8.6.2 Single-Chamber Versus Two-Chamber Designs320

8.6.3 Single-Chamber Designs320

8.6.4 Wastewater Treatment Effectiveness321

8.7 Fabrication Example322

8.8 Future Directions323

References325

9 Methane329

9.1 Introduction329

9.2 Microbiology of Methane Production329

9.2.1 Methanogenic Environments329

9.2.2 Methane Process Description330

9.2.3 Microbial Communities332

9.3 Biomass Sources for Methane Generation334

9.4 Systems338

9.4.1 Reactor Conditions339

9.4.2 Process Design340

9.5 Biogas Composition and Use343

References344

Appendix：Conversion Factors and Constants347

Index351