CN101153290B - 提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法，采用渗透汽化膜组件置于发酵罐中直接与发酵过程进行耦合，通过渗透汽化膜将发酵生成的乙醇直接在发酵罐中原位分离并不断移去，使乙醇发酵过程中的反馈抑制作用被打破，提高生物质的发酵效率。本方法大大降低了乙醇的分离能耗，简化了工艺，降低了燃料乙醇的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及生物质发酵生产燃料乙醇工艺中用于提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法，属燃料乙醇制备领域。
背景技术
随着科技和经济的快速发展，全球的能源消耗日益增长，鉴于对未来能源危机的担忧，人们正在努力寻求能替代天然燃料的新能源途径。近年来，通过粮食发酵生产燃料乙醇以作为天然石化燃料替代品的研究已初见成效，但随之产生的问题是大量粮食被消耗，粮价上涨，导致了工业生产与粮食供应之间的矛盾。为了解决这个矛盾，用非粮食生物质作为发酵原料将成为生产燃料乙醇的研究方向。我国幅远辽宽，广大农村存在大量的玉米秸杆、稻草以及麦杆等生物质废料，用这些生物质为原料生产燃料乙醇，不但解决了这些农作物废料的出路，还可避免因秸杆、稻草的大量堆积、荒烧等形式造成的环境污染等一系列问题。
当前发酵法生产乙醇的效率比较低，这是因为粮食或其它生物质发酵达到一定程度后，发酵产生的乙醇对发酵过程有反馈抑制作用，致使发酵效率明显下降；而目前从发酵液中分离乙醇采用传统的蒸馏方法，蒸馏工艺约占乙醇生产能耗的40％。发酵效率低下及乙醇分离能耗高是目前发酵法乙醇生产工艺成本居高不下的主要原因。而非粮食生物质的发酵效率相对于粮食发酵的效率更低，因此，降低燃料乙醇的生产成本，提高燃料乙醇生物质发酵效率，降低燃料乙醇分离能耗是目前发酵法生产乙醇急需解决的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法，以提高生物质发酵效率，降低燃料乙醇分离能耗。
本发明的乙醇的原位分离方法如下：
将生物质经预处理制成料浆，投入生物质发酵罐内，使料浆在30-45℃下及微生物作用下发酵产生发酵液；本发明的特征是在发酵罐内设置以有机聚合物或无机陶瓷为支撑体的渗透汽化膜组件，支撑体的表面复有对乙醇具有亲和力的活性膜层，另一侧是与真空泵相连的透过侧；当罐内液相中乙醇体积浓度达到的2-25％时，开启真空泵，使渗透汽化膜的透过侧保持50-500pa真空度，发酵液中的乙醇即向膜面集积，并透过膜进入透过侧，在负压氛围中汽化并不断被抽离发酵罐；同时向发酵罐内添加料浆，使生物质发酵和乙醇分离同时进行。
渗透汽化膜组件由多个单元渗透汽化膜组成，各单元渗透汽化膜的透过侧通过管路并联于真空泵总管。
所说的对乙醇具有亲和力的活性膜材料选自以下材料之一：硅橡胶、聚三甲基硅丙炔、聚丙烯、聚丁二烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或其衍生物、丁苯橡胶、丁腈橡胶或分子筛。
本发明采用的单元渗透汽化膜为管式、卷式、平板或中空纤维膜等形式。
综上所述，本发明选用对乙醇具有亲和力的渗透汽化膜，利用发酵液中乙醇和水及其它组分在渗透汽化膜中的溶解度及扩散速率的差异，优先透过乙醇组份，所以该过程相变量小、效率高、能耗低而且具有设备简单、工艺放大效应小等优点。本发明将渗透汽化膜组件直接设置在发酵罐内，在膜一侧抽真空的条件下，选择性地将发酵液中的乙醇组分吸附至膜面并继而透过膜孔进入膜的透过侧，在负压下汽化，乙醇被不断地从发酵液中分离移去，使得发酵液中乙醇的浓度保持在较低的水平，从而减小甚至消除乙醇对酵母细胞的抑制作用，使细胞活性增强，乙醇发酵产率提高；此外，细胞活性增强又促使细胞密度增加，使得发酵体系向着乙醇生产的方向进行，提高了发酵的强度和发酵效率。本发明的乙醇渗透汽化是在发酵罐内进行的原位分离过程，发酵产生的乙醇直接通过罐内的渗透汽化膜源源地连续不断地被移去，绝大部分水份则留在发酵罐内，使乙醇的移除速率与乙醇的发酵生产速率相当，因而发酵过程可平衡进行而不至于产生较大的波动；本发明采用的渗透汽化膜分离方法与蒸馏移除乙醇的方法相比，不仅分离过程的能耗大大降低，而且省却了将发酵体系中的澄清液抽取出再浓缩的烦琐步骤，省略了料泵等机械设备，也进一步节省能耗，极大地降低了生产成本，而且还可避免发酵过程的细菌污染。
附图说明
图1是在发酵罐中设置渗透汽化组件的生物质发酵-乙醇原位分离工艺流程示意图。
图中，1是发酵罐的进料口，2是发酵罐的出料口，3是发酵罐，4是渗透汽化膜组件，4-1是单元管式渗透汽化膜，5是渗透汽化系统的控制阀门，6是真空计，7是冷却器，8是真空泵。
如图示，渗透汽化膜组件4由若干个单元渗透汽化膜4-1组成，单元渗透汽化膜4-1可以是管式、卷式、平板或中空纤维膜等形式。图中表示的是管式膜，管内侧为渗透侧。渗透汽化膜组件4置于发酵罐3内，各单元渗透汽化膜的透过侧通过管路并联于真空泵8的总管。通过渗透汽化从罐内移去的乙醇经冷却器7冷凝成液相收集后用于下一步提纯。
具体实施方式
实施例1
秸秆经蒸气爆破预处理、酶水解后制成料浆，根据秸秆在发酵罐内置入10根管式硅橡胶/陶瓷渗透汽化复合膜，膜层总面积38cm2。料浆加入发酵罐内，在30℃温度下微生物发酵12h时，检测罐内液相中乙醇体积浓度达到3％，乙醇的发酵强度为2gL-1h-1，此时开启控制阀5和真空泵8，将渗透侧的真空度维持在500Pa，同时往发酵罐内添加料浆；罐3内乙醇连续透入各管式渗透汽化膜4-1的管内(即透过侧)并汽化进入冷却器7被收集。收集所得的乙醇浓度达17～55v％。
本例在同一发酵罐内实现生物质的连续发酵和乙醇的连续浓缩，乙醇发酵强度由2gL-1h-1提高到40gL-1h-1。
实施例2
秸秆经蒸气爆破预处理、酶水解后制成料浆，在32℃的微生物发酵温度下，发酵24h，乙醇体积浓度达到5％时，乙醇的发酵强度为3gL-1h-1，将置于发酵罐内的硅橡胶/纤维素板式渗透汽化复合膜渗透侧的真空泵打开，将渗透侧的真空度维持在400Pa，同时继续往发酵罐内添加发酵液，使乙醇的连续发酵和连续化浓缩在一个发酵罐内同步实现，发酵强度提高到30gL-1h-1。
实施例3
秸秆经蒸气爆破预处理、酶水解后制成料浆，在35℃的微生物发酵温度下，发酵36h，体积浓度达到3％，乙醇的发酵强度为1.5gL-1h-1，将置于发酵罐的5根全硅分子筛/陶瓷管式渗透汽化膜渗透侧的真空泵打开，将渗透侧的真空度维持在200Pa，同时继续往发酵罐内添加发酵液，使乙醇的连续发酵和连续化浓缩在一个发酵罐内同步实现，发酵强度提高到50gL-1h-1。
以上各实施例并不作为对本发明保护范围的限制。
Claims (4)
1.提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法，将生物质预处理制成料浆，投入生物质发酵罐内，使料浆在30-45℃下及微生物作用下发酵；其特征是在发酵罐内设置以有机聚合物或无机陶瓷为支撑体的渗透汽化膜组件，支撑体的一侧表面复合有对乙醇具有亲和力的活性膜层，另一侧是与真空泵相连的透过侧；当发酵罐内液相中乙醇体积浓度达到2-25％时，开启真空泵，使透过侧保持50-500pa真空度，使乙醇透过渗透汽化膜并不断被抽离发酵罐，同时向发酵罐内添加料浆继续发酵。
2.根据权利要求1所述的提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法，其特征是所说的活性膜材料选自以下材料之一：硅橡胶、聚三甲基硅丙炔、聚丙烯、聚丁二烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、丁腈橡胶或分子筛。
3.根据权利要求2所述的提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法，其特征是所说的渗透汽化膜组件由多个单元渗透汽化膜组成，各单元渗透汽化膜的透过侧通过管路并联于真空泵总管。
4.根据权利要求3所述的提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法，其特征是所说单元渗透汽化膜为管式、卷式、平板或中空纤维膜形式。
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