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CSTR 52
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 Basics 3
1 Introduction 3
1.1 Biorefinery 3
1.2 Description of Biofuels 5
1.3 Energy Use 6
1.4 Efficiency of Energy Use 8
1.5 Biofuels Production and Use 10
1.6 Alternative Energies 12
1.7 Environmental Impact 13
1.8 Book Overview 14
References 15
2 Harvesting Energy from Biochemical Reactions 17
2.1 Introduction and Basic Definitions 17
2.2 Biochemical Pathways Review for Organoheterotrophic Metabolism 19
2.2.1 Aerobic Respiration 19
2.2.2 Anaerobic Respiration 23
2.2.3 Fermentation 25
2.3 Biochemical Pathways Overview for Lithotrophic Growth 30
2.4 Biochemical Pathways Overview for Phototrophic Metabolism 31
2.4.1 Light Reactions 32
2.4.2 Anabolic(Dark)Reactions 33
2.5 Definition and Importance of Chemical Oxygen Demand 33
Acknowledgments 35
References 36
3 Microbial Modeling of Biofuel Production 37
3.1 Introduction 37
3.2 Summary of Microbial Growth Models 37
3.2.1 Unstructured,Single Limiting Nutrient Models 38
3.2.2 Inhibition Models 39
3.2.3 Models for Multiple Limiting Substrates 42
3.2.4 Yield Parameters 44
3.3 Kinetic Rate Expressions 45
3.3.1 Temperature Effects 47
3.4 Bioreactor Operation and Design for Biofuel Production 48
3.4.1 Batch Reactors 50
3.4.2 Continuous Stirred Tank Reactors 50
3.4.3 CSTR with Cell Recycle 52
3.4.4 Fed-Batch Systems 54
3.4.5 Plug Flow Systems 55
3.5 Bioreactor Design Strategies 57
3.6 Modeling of Glucose Utilization and Hydrogen Production 58
3.6.1 Batch Fermentations and Simulations 59
3.6.2 CSTR Fermentations and Simulations 61
Summary 64
References 65
Part 2 Biofuels 69
4 Biofuel Feedstocks 69
4.1 Starch Feedstocks 69
4.1.1 Cereal Grains 69
4.1.2 Other Grains 78
4.1.3 Tubers and Roots 78
4.2 Sugar Feedstocks 79
4.2.1 Sugarcane 79
4.2.2 Sugar Beet 80
4.3 Lignocellulosic Feedstocks 80
4.3.1 Forest Products and Residues 81
4.3.2 Agricultural Residues 82
4.3.3 Agricultural Processing By-Products 84
4.3.4 Dedicated Energy Crops 84
4.4 Plant Oils and Animal Fats 88
4.5 Miscellaneous Feedstocks 91
4.5.1 Animal Wastes 91
4.5.2 Municipal Solid Waste 94
References 94
5 Ethanol Production 105
5.1 Ethanol Production from Sugar and Starch Feedstocks 105
5.1.1 Microorganisms 105
5.1.2 Process Technology 111
5.2 Ethanol Production from Lignocellulosic Feedstocks 133
5.2.1 Basic Concept 133
5.2.2 The Sugar Platform 134
5.2.3 The Syngas Platform 158
Acknowledgments 174
References 174
6 Biodiesel 197
6.1 Introduction 197
6.1.1 Environmental Considerations 199
6.2 Biodiesel Production Chemistry and Thermodynamic Aspects 201
6.2.1 Transesterification 202
6.2.2 Esterification 202
6.2.3 Lipase-Catalyzed Interesterification and Transesterification 203
6.2.4 Side Reactions:Saponification and Hydrolysis 203
6.2.5 Alcohol Effect 204
6.2.6 Base or Alkali Catalysis 204
6.2.7 Acid Catalysis 206
6.2.8 Enzyme Catalysis 208
6.2.9 Supercritical Esterification and Transesterification 208
6.2.10 Thermodynamics and Reaction Kinetics 210
6.3 Oil Sources and Production 219
6.3.1 Plant Oils 219
6.3.2 Microbial and Algal Oils 223
6.3.3 Used Cooking Oils 233
6.3.4 Straight Vegetable Oil 233
6.3.5 Biosynthesis of Oils and Modification 234
6.4 Coproducts 236
6.5 Methods of Biodiesel Production 238
6.5.1 General Biodiesel Production Procedures 239
6.5.2 Pilot and Commercial Scale 245
6.5.3 Quality Control Analytical Technique 247
6.6 Economics 250
6.6.1 Feedstock Cost 252
6.6.2 Manufacturing Cost 255
6.6.3 Capital Cost 255
6.6.4 Operating Cost 257
6.7 Summary and Conclusions 258
Acknowledgments 259
Problems 260
References 262
7 Biological Production of Hydrogen 269
7.1 Introduction 269
7.1.1 Important Enzymes 269
7.1.2 Abiotic H2 Production 271
7.2 Photobiological H2 Production 271
7.2.1 Direct Biophotolysis 272
7.2.2 Indirect Biophotolysis 273
7.2.3 Photofermentation 273
7.2.4 Photobiological H2 Production Potential 274
7.3 Hydrogen Production by Fermentation 274
7.3.1 Overview 274
7.3.2 Energetics 275
7.3.3 Thermotogales 276
7.3.4 Biochemical Pathway for Fermentative H2 Production by Thermotoga 276
7.3.5 Hydrogen Production by Other Bacteria 277
7.3.6 Coproduct Formation 279
7.3.7 Batch Fermentation 280
7.3.8 Hydrogen Inhibition 281
7.3.9 Role of Sulfur—Sulfidogenesis 281
7.3.10 Use of Other Carbon Sources Obtained from Agricultural Residues 284
7.3.11 Process and Culture Parameters 287
7.4 Hydrogen Detection,Quantification,and Reporting 290
7.4.1 Hydrogen Detection 291
7.4.2 Total Gas Pressure 292
7.4.3 Water Vapor Pressure 292
7.4.4 Hydrogen Partial Pressure 292
7.4.5 Hydrogen Gas Concentration 293
7.4.6 Hydrogen Concentration Expressed as mol H2/L Media 294
7.4.7 Hydrogen Production Rate 294
7.4.8 Dissolved H2 Concentration in Liquid 294
7.5 Fermentation Bioreactor Sizing for PEM Fuel Cell Use 297
Acknowledgment 299
References 299
8 Microbial Fuel Cells 303
8.1 Overview 303
8.2 Biochemical Basis 303
8.3 Past Work Summary 305
8.4 Fuel Cell Design 308
8.4.1 Anode Compartment 308
8.4.2 Microbial Cultures 309
8.4.3 Redox Mediators 310
8.4.4 Cathode Compartment 311
8.4.5 Exchange Membrane 312
8.4.6 Power Density as Function of Circuit Resistance 313
8.5 MFC Performance Methods 314
8.5.1 Substrate and Biomass Measurements 314
8.5.2 Basic Power Calculations 315
8.5.3 Calculation Example 317
8.6 MFC Performance 318
8.6.1 Power Density as Function of Substrate 318
8.6.2 Single-Chamber Versus Two-Chamber Designs 320
8.6.3 Single-Chamber Designs 320
8.6.4 Wastewater Treatment Effectiveness 321
8.7 Fabrication Example 322
8.8 Future Directions 323
References 325
9 Methane 329
9.1 Introduction 329
9.2 Microbiology of Methane Production 329
9.2.1 Methanogenic Environments 329
9.2.2 Methane Process Description 330
9.2.3 Microbial Communities 332
9.3 Biomass Sources for Methane Generation 334
9.4 Systems 338
9.4.1 Reactor Conditions 339
9.4.2 Process Design 340
9.5 Biogas Composition and Use 343
References 344
Appendix：Conversion Factors and Constants 347
Index 351