CN101003779B - Co2循环气提在线分离耦合制备乙醇的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于生物化工技术领域的一种CO2循环气提在线分离耦合制备乙醇的方法及设备。该设备包括发酵罐，气液分离器，吸附塔，隔膜真空泵，带导流桶的吸收罐。在CO2循环气提中使用隔膜真空泵，使物料与外界完全隔开，并设计同时具有气液分离、吸附分离、溶剂吸收等多种在线分离装置，强化单元操作，针对单纯CO2气提时在发酵后期致酵母细胞活性下降问题，提出了通过间歇通氧、补加营养物质等手段使细胞活性恢复。其优点在于使气提过程更安全，避免污染，延长批次发酵时间和提高乙醇生产强度，有效降低了生产成本，提高了生产效率。

Description

CO2循环气提在线分离耦合制备乙醇的方法及设备
技术领域
本发明属于生物化工技术领域，特别涉及一种CO2循环气提在线分离耦合制备乙醇的方法及设备。
背景技术
乙醇广泛应用于饮料、食品、香精、调味品、医药和能源工业，在国民经济中占有较重要的地位，随着国民经济的发展，世界石油储量的锐减、环境保护工作的加强和车用燃料乙醇需求量的增加，乙醇的用途将更加广泛，对乙醇的需求量将与日俱增，乙醇工业的前途将日趋灿烂。
在发酵法生产乙醇的能耗中，蒸煮工艺约占30～35％，蒸馏工艺约占45～50％，其它工艺占10～20％。乙醇生产节能的主攻方向是蒸煮工艺和蒸馏工艺。在发酵生成乙醇过程中，当发酵液中乙醇浓度超过5％(v/v)时，就会对酵母的活性产生一定的抑制作用，随着乙醇浓度的升高，抑制作用加强，当乙醇浓度增加到12％(v/v)时，酵母就基本失去了活性。由于这一原因，限制了发酵原料液中含糖量的提高和发酵醪中乙醇浓度的提高，从而增加了原料糖化和无水乙醇制取过程的能耗，为此，乙醇发酵与产物分离耦合是解决这两大问题的主要工程途径，因此开发新型的乙醇产品发酵分离技术，对乙醇生产中节能增效、降低成本有着良好的应用前景。
文献1)《化学工程，1997，6：111.》，尚龙安，凌海燕，范代娣，李宝璋等在“固定化酵母乙醇萃取发酵研究”.中报道了乙醇发酵与萃取分离耦合过程的研究，该方法主要是通过萃取剂将发酵液中乙醇萃取出来，具有可消除产物抑制作用、能维持高的细胞比生长速率、便于乙醇的回收等优点，但是对萃取剂的要求比较苛刻，如乙醇在萃取剂中的溶解度要大；萃取剂与水不相溶或部分相溶；萃取剂不能对细胞产生毒害作用，因此，开发合适的萃取剂是限制该方法发展的主要原因。文献2)《Journal of Filtration & Separation，2006，16(2)：26-28》，徐飞，李桂水，楼文君等在“膜分离技术在发酵液提取浓缩中的应用.过滤与分离.”中，报道了乙醇发酵与膜分离耦合过程的研究，膜分离技术是一项新的分离技术，近几年发展十分迅速，它具有在常温下操作、能耗低等优点。目前所研究的膜分离与乙醇发酵耦合技术主要有：渗透汽化-细胞循环发酵，中空纤维膜-细胞固定发酵，超滤-细胞循环发酵，膜蒸馏-乙醇发酵系统，所有膜分离发酵装置均是按发酵产物分子尺寸大小而设计的，由于微生物细胞脱离产物系统，所以最终产物抑制作用甚小，发酵效率高，产物容易回收。但其缺点是对膜器件选择性要求高，工业化成本高；膜面易污染，膜灭菌、清洗要占用一定的生产时间和费用；膜面往往易产生浓差极化而堵塞，降低了发酵效率。另外，发酵时间过长往往造成微生物死亡。这些都是膜分离发酵技术工业化必须解决的问题。文献3)《Walsh P K，Liu C P，Findley M E，et al.Ethanol separation from water in a two-stage adsorption process.Biotechnol.Bioeng.Symp.，1983，13：629-637》报道了乙醇发酵与CO2气提耦合过程的研究，近年来受到广泛重视的乙醇发酵分离耦合方法是CO2气提耦合乙醇发酵。即以乙醇发酵中产生的CO2为载气，将发酵液中的乙醇夹带出来。CO2所夹带乙醇和水蒸气一种途径是利用活性炭或分子筛等吸附剂选择性地吸附乙醇，然后将吸附物在一定条件下解吸，CO2通过压缩机进行循环。另一种途径是所夹带乙醇和水蒸气进入发酵反应器之上的蒸馏塔，在塔顶得到浓缩的乙醇，而水被分离下来返回发酵反应器内，不凝载气则由气体压缩机沿循环回路打入发酵反应器继续气提乙醇，即将气提发酵与载气蒸馏进行耦合。但在实际操作中还发现单纯用CO2进行气提时，溶解不同浓度的CO2会导致细胞生长活性下降，同时在以上气提工艺设计中均需有冷却或加热介质，这增加了能耗和乙醇生产成本。针对上述研究，本发明开发了一种新型CO2循环气提在线分离耦合制备生物乙醇的工艺技术和专用设备，该工艺使气提过程更安全，避免污染，延长批次发酵时间和提高乙醇生产强度，在气提过程中设计同时具有气液分离、吸附分离、溶剂吸收等多种在线分离装置，强化单元操作，使在线产品分离更充分，乙醇浓度进一步提高。可有效降低生产成本，并提高生产效率，具有良好的工业化应用前景。该发明尚未见文献报道。
发明内容
本发明在综合已有乙醇发酵技术的基础上，开发一种CO2循环气提在线分离乙醇方法及设备，并针对单纯CO2气提时在发酵后期致酵母细胞活性下降问题，提出通过间歇通氧、补加营养物质等手段加以解决，目的是克服传统气提乙醇发酵工艺中的不足，从化工分离与发酵工程两方面着手强化其单元操作特性，同时降低乙醇蒸馏能耗及废液量，并最终使乙醇生产成本降低。
所述CO2循环气提在线分离耦合制备乙醇的设备是在发酵罐1的罐体内安装搅拌桨2，在搅拌桨2下部及吸收罐9中的导流桶10下各放置气体分布器3。发酵罐1与气液分离器6通过管路相连，并在管路上装有气体调节阀4和流量计5，在气液分离器6上方连有吸附塔7，吸附塔7与吸收罐9通过管路相连。吸收罐9顶部装有压力表11及安全阀12。在发酵罐1与吸收罐9的连通管道上安装一隔膜真空泵8，在真空泵8与发酵罐1的连通管道上装有气量调节阀13。空气气源15与发酵罐1与气量调节阀13之间的管道相连，连通管道上装有气量调节阀14。
所述吸附塔7是由一个冷凝管改造而成，在气提过程中可以通冷却水从而提高
回流效果，同时带有一个加热的夹套，可对吸附塔中的填料进行在线再生。
所述CO2循环气提在线分离乙醇方法是采用淀粉质原料或糖蜜原料生产乙醇；其特征在于，具体工艺步骤为：
1)首先按常规蒸煮液化、糖化淀粉质原料或糖蜜原料；
2)在发酵罐中装入相对于反应器体积的30-75％的发酵培养基，升温至121℃灭菌15分钟，然后将培养基冷却到35℃后，接入相对于5％发酵培养基体积的酵母种子液，控制温度在30-35℃发酵。
3)在接种后即开启气体调节阀，通入0.1-0.3vvm空气。在通气发酵2小时后，关闭气体调节阀，设搅拌转速60～300转/分钟(转速视发酵培养基体积而定)
4)当发酵液中乙醇浓度等于或超过5％时，关闭搅拌，开启隔膜真空泵，并开启气体调节阀保持循环气量在0.5-0.8vvm。
5)发酵进行到100h，关闭膜真空泵，补加营养物质，开启气体调节阀通入0.1-0.3vvm空气至发酵进行到120h，关闭气体调节阀，开启隔膜真空泵8，并调节气体调节阀保持循环气量在0.5-0.8vvm直至发酵结束。
6)该方法进一步包括检测步骤，定时检测发酵罐中的葡萄糖浓度，当葡萄糖浓度低于50g/l时，由无菌储液槽补加水解糖液，使发酵罐中的葡萄糖浓度控制在50-80g/l。当发酵进行140小时后停止补加，至糖浓度为低于5g/L时终止发酵。
所述发酵培养基包括：
斜面培养基：麦芽汁20％，琼脂2％；
种子培养基：葡萄糖(用糖化液配制)50g·L-1，(NH4)2SO4 2g·L-1，KH2PO45g·L-1，酵母浸粉5g·L-1，无水MgSO41g·L-1，无水CaCl20.2g·L-1；或葡萄糖(用糖化上清液配制)50g·L-1，(NH4)2SO42g·L-1，KH2PO45g·L-1，，无水MgSO41g·L-1，无水CaCl20.2g·L-1；
发酵培养基：葡萄糖(用糖化液配制)100g·L-1，(NH4)2SO42g·L-1，KH2PO45g·L-1，酵母浸粉5g·L-1，无水MgSO41g·L-1，无水CaCl20.2g·L-1。
所述粗淀粉原料为红薯粉、玉米粉、木薯粉中的一种或一种以上。
所述补加营养物质是指补加酵母粉和硫酸铵，补加量为0.5～0.8g酵母粉/每升发酵培养基、0.8～1g硫酸铵/每升发酵培养基。
本发明优点在于：
1.针对传统气提工艺中CO2循环压缩泵都选用普通真空泵而导致的灭菌困难和发酵过程中容易染菌问题，本发明在CO2循环压缩泵上选用隔膜式真空泵，使物料与外界完全隔开，从而使气提过程更安全，避免污染。
2.采用发酵过程中所产生的CO2回用于气提，并以此代替发酵过程的机械搅拌；乙醇在线分离过程中不使用冷却或加热介质，不额外增加生产能耗。
3.针对单纯CO2气提时在发酵后期致酵母细胞活性下降问题，通过间歇通空气、补加营养物质等手段使细胞活性恢复，延长批次发酵时间和提高乙醇生产强度。
4.针对在传统气提在线分离中效率低、能耗高问题，在气提过程中设计同时具有气液分离、吸附分离、溶剂吸收等多种在线分离装置，强化单元操作，使在线产品分离更充分，乙醇浓度进一步提高。
附图说明
图1为CO2循环气提在线分离乙醇的设备结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种CO2循环气提在线分离乙醇工艺及设备。图1为CO2循环气提在线分离乙醇的设备结构示意图。该设备结构是在发酵罐1的罐体内安装搅拌桨2，在搅拌桨2下部及吸收罐9中的导流桶10下各放置气体分布器3。发酵罐1与气液分离器6通过管路相连，并在管路上装有气体调节阀4和流量计5，在气液分离器6上方连有吸附塔7，吸附塔7与吸收罐9通过管路相连。吸收罐9顶部装有压力表11及安全阀12。在发酵罐1与吸收罐9的连通管道上安装一隔膜真空泵8，在真空泵8与发酵罐1的连通管道上装有气量调节阀13。空气气源15与发酵罐1与气量调节阀13之间的管道相连，连通管道上装有气量调节阀14。
下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1：以淀粉为原料进行CO2循环气提在线分离耦合工艺制备乙醇
1、粗淀粉原料的液化糖化
淀粉1475g，水2722L的比例配置淀粉乳加热液化，分别在80℃和95℃两次加入液化酶(市售诺维信中温淀粉酶BAN，5u/g淀粉)液化50min，然后升温至110℃使酶失活。冷却，加入糖化酶(市售诺维信复合糖化酶DX，200u/g淀粉)60℃糖化9h，DE值103.46，糖浓度31.55％。
2、糖化液发酵生产乙醇
(1)菌种：酿酒酵母(Saccharomices cerevisiae)，如编号为2.1364。
(2)培养基：
斜面培养基：麦芽汁20％，琼脂2％
种子培养基：葡萄糖(用糖化液配制)50g·L-1，(NH4)2SO4 2g·L-1，KH2PO45g·L-1，酵母浸粉5g·L-1，无水MgSO41g·L-1，无水CaCl20.2g·L-1
发酵培养基：葡萄糖(用糖化液配制)100g·L-1，(NH4)2SO42g·L-1，KH2PO45g·L-1，酵母浸粉5g·L-1，无水MgSO41g·L-1，无水CaCl20.2g·L-1
以上培养基使用前均于121℃灭菌15分钟。
(3)种子培养
斜面培养基在恒温培养箱中30℃下培养24小时，用接种针在培养好的斜面上取一小环菌体溶入灭过菌的种子培养基中，在摇床上培养16小时，摇床的温度为30℃，转速为120～130r·min-1。装液量为250mL摇瓶装50mL种子培养基。
(4)发酵
按图1组装设备，采用5L发酵罐，按5％(v/v)的接种量接种，使发酵罐培养基体积为3L，发酵过程控制温度在35℃。在接种后即开启气体调节阀14通入0.3vvm空气。在发酵2小时后，关闭气体调节阀14，设搅拌转速200转/分钟。当发酵进行至20h，关闭搅拌，开启隔膜真空泵8，并开启气体调节阀4保持循环气量在0.5vvm。发酵进行到100h，关闭膜真空泵8，补加酵母粉2.4g、硫酸氨 3g，开启气体调节阀14通入0.1vvm空气至发酵进行到120h，关闭气体调节阀14，开启隔膜真空泵8，并开启气体调节阀4保持循环气量在0.5vvm直至发酵150h结束。发酵全过程中检测发酵罐1中的葡萄糖浓度，当葡萄糖浓度低于50g/l时，由无菌储液槽16补加水解糖液，使发酵罐1中的葡萄糖浓度控制在50-80g/l。当发酵进行140小时后停止补加。在气液分离器中可收集浓度为400g/l的粗乙醇产品，乙醇对葡萄糖质量得率0.47。
实施例2：以糖蜜为原料进行CO2循环气提在线分离耦合工艺制备乙醇
1、糖蜜原料的预处理
将原糖蜜稀释至含总糖约30％(g/V)～35％(g/V)，加热糖蜜稀释液至80℃，保温1小时，室温沉降6小时，将液体在5000rpm条件下离心15分钟，然后取上清液备用。
2、糖化液发酵产乙醇
(1)菌种：酿酒酵母(Saccharomices cerevisiae)，如编号为2.1364
(2)培养基：
斜面培养基：麦芽汁20％，琼脂2％
种子培养基：葡萄糖(用糖化上清液配制)50g·L-1，(NH4)2SO42g·L-1，KH2PO45g·L-1，，无水MgSO41g·L-1，无水CaCl20.2g·L-1
发酵培养基：葡萄糖(用糖化上清液配制)100g·L-1，(NH4)2SO42g·L-1，KH2PO45g·L-1，酵母浸粉5g·L-1，无水MgSO41g·L-1，无水CaCl2 0.2g·L-1
以上培养基使用前均于121℃灭菌15分钟。
(3)种子培养
斜面培养基在恒温培养箱中30℃下培养24小时，用接种针在培养好的斜面上取一小环菌体溶入灭过菌的种子培养基中，在摇床上培养16小时，摇床的温度为30℃，转速为120～130r·min-1。装液量为250mL摇瓶装50mL种子培养基。
(4)发酵
按附图1组装设备，采用5L发酵罐，按5％(v/v)的接种量接种，使发酵罐培养基体积为3L，发酵过程控制温度在35℃。在接种后即开启气体调节阀14通入0.1vvm空气。在发酵2小时后，关闭气体调节阀14，设搅拌转速200转/分钟。当发酵进行至20h，关闭搅拌，开启隔膜真空泵8，并开启气体调节阀4保持循环气量在0.8vvm。发酵进行到100h，关闭膜真空泵8，补加酵母粉2.4g、硫酸氨3g，开启气体调节阀14通入0.3vvm空气至发酵进行到120h，关闭气体调节阀14，开启隔膜真空泵8，并开启气体调节阀4保持循环气量在0.5vvm直至发酵150h结束。发酵全过程中检测发酵罐1中的葡萄糖浓度，当葡萄糖浓度低于50g/l时，由无菌储液槽16补加上清糖液，使发酵罐1中的葡萄糖浓度控制在50-80g/l。当发酵进行140小时后停止补加。在气液分离器中可收集浓度为37％的粗乙醇产品，乙醇对糖密中总糖质量得率40％。

Claims (6)

1.一种CO2循环气提在线分离耦合制备生物乙醇的设备，其特征在于，所述CO2循环气提在线分离耦合制备乙醇的设备是在发酵罐(1)的罐体内安装搅拌桨(2)，在搅拌桨(2)下部及吸收罐(9)中的导流桶(10)下各放置气体分布器(3)，发酵罐(1)与气液分离器(6)通过管路相连，并在管路上装有气体调节阀(4)和流量计(5)，在气液分离器(6)上方连有吸附塔(7)，吸附塔(7)与吸收罐(9)通过管路相连，吸收罐(9)顶部装有压力表(11)及安全阀(12)，在发酵罐(1)与吸收罐(9)的连通管道上安装一隔膜真空泵(8)，在隔膜真空泵(8)与发酵罐(1)的连通管道上装有第一气量调节阀(13)，空气气源(15)与发酵罐(1)与气量调节阀(13)之间的管道相连，连通管道上装有第二气量调节阀(14)。
2.根据权利要求1所述CO2循环气提在线分离耦合制备生物乙醇的设备，其特征在于，所述吸附塔(7)是由一个冷凝管改造而成，在气提过程中通冷却水从而提高回流效果，同时带有一个加热的夹套，对吸附塔中的填料进行在线再生。
3.一种适用于权利要求1所述CO2循环气提在线分离耦合制备生物乙醇的设备制备生物乙醇的方法，其特征在于，所述CO2循环气提在线分离耦合制备生物乙醇的设备制备生物乙醇的方法是采用淀粉质原料或糖蜜原料生产乙醇；具体工艺步骤为：
1)首先按常规蒸煮液化、糖化淀粉质原料或糖蜜原料；
2)在发酵罐(1)中装入相对于反应器体积的30-75％的发酵培养基，升温至121℃灭菌15分钟，然后将发酵培养基冷却到35℃后，接入相对于5％发酵培养基体积的酵母种子液，控制温度在30-35℃发酵；
3)在接种后即开启气体调节阀，通入0.1-0.3vvm空气，在通气发酵2小时后，关闭气体调节阀，设搅拌转速60～300转/分钟；
4)当发酵液中酒精浓度等于或超过5％时，关闭搅拌，开启隔膜真空泵，并开启气体调节阀保持循环气量在0.5-0.8vvm；
5)发酵进行到100h，关闭隔膜真空泵，补加营养物质，开启第二气量调节阀(14)通入0.1-0.3vvm空气至发酵进行到120h，关闭第二气量调节阀(14)，开启隔膜真空泵(8)，并调节气体调节阀(4)保持循环气量在0.5-0.8vvm直至发酵结束；
6)该方法进一步包括检测步骤，定时检测发酵罐中的葡萄糖浓度，当葡萄糖浓度低于50g/l时，由无菌储液槽补加水解糖液，使发酵罐中的葡萄糖浓度控制在50-80g/l，当发酵进行140小时后停止补加，至糖浓度为低于5g/L时终止发酵。
4.根据权利要求3所述制备生物乙醇的方法，其特征在于：所述发酵培养基：用糖化液配制的葡萄糖100g·L-1，(NH4)2SO4 2g·L-1，KH2PO4 5g·L-1，酵母浸粉5g·L-1，无水MgSO4 1g·L-1，无水CaCl2 0.2g·L-1。
5.根据权利要求3所述制备生物乙醇的方法，其特征在于：所述淀粉质原料为红薯粉、玉米粉、木薯粉中的一种或一种以上。
6.根据权利要求3所述制备生物乙醇的方法，其特征在于：所述补加营养物质是指酵母粉和硫酸铵，补加量为0.5～0.8g酵母粉/每升发酵培养基、0.8～1g硫酸铵/每升发酵培养基。
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张民权等.同时进行发酵和分离的气提、活性炭吸附乙醇发酵动力学研究（二）游离细胞连续发酵.化学反应工程与工艺6 1.1990,6(1),34-42.
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秦庆军等.乙醇气提发酵与载气蒸馏耦合过程实验.过程工程学报2 1.2002,2(1),58-61.
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