CN101270372A - 一种纤维素乙醇发酵中糖液的浓缩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,首先通过膜滤获得去除了悬浮颗粒的糖液,然后采用膜蒸馏技术,糖液以40~70℃的温度进入疏水膜组件的一侧,使糖液中的水以蒸汽形式透过疏水膜组件上的微孔膜壁扩散至另一侧并经冷凝,从而实现糖液的浓缩。采用本发明的方法提浓纤维素乙醇发酵中糖液,具有浓缩效果好、能耗低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种纤维素乙醇生产方法,尤其是纤维素乙醇发酵中糖液的膜蒸馏提浓方法,适用于纤维素乙醇的生产。
背景技术
作为一种不可再生的自然矿产资源,全球石油开采已经进入到中期,2004年以来油价高涨就显示出,供应增长赶不上需求的增长。虽然世界上可再生能源种类繁多,可以替代石油做动力燃料的却少而又少。而生物燃料是目前唯一进入市场,可替代石油燃料的大宗可再生能源。因此,作为汽油添加剂的生物酒精(乙醇)是石油替代的首善之举。
响应国家号召,始终贯彻可持续发展的战略方针,提出使用秸秆、草皮和树皮等纤维素生产乙醇,这些纤维素人类并不能食用,根本就不会威胁人类的食物供应。研究人员通过使用特定的酶将纤维素进行分解获得简单的糖类物质,再把这些糖类物质转化成能量使用。纤维素在自然界是大量存在的,通过纤维素所获的乙醇是非常洁净的,可以和汽油一样有效驱动汽车行驶,更重要的一个原因,我们不再需要重新发明汽车,这将使我们的汽车工业继续发展下去,不会造成巨大的浪费。
随着纤维素乙醇发酵研究的深入,人们意识到糖液浓缩是纤维素乙醇发酵中必要的工艺过程,糖液浓度的高低直接影响乙醇浓度和得率的高低。目前纤维素水解后得到的糖液浓度(质量百分比浓度,下同)低于2%,主要为己糖和戊糖;但在乙醇发酵中糖液的浓度却要求达到5%以上。常用的溶液浓缩技术有:敞开式浓缩罐、多效蒸发浓缩、真空薄膜浓缩等。一般操作温度达到90℃以上时,较高的浓缩温度会导致结焦并且导致浓缩过程中能耗大。而采用一般的纳滤膜技术,虽然也可以达到一定的浓缩,但是过程操作压力高(约5MPa),也需要消耗大量的电能。因此,纤维素乙醇工业迫切需要一种低能耗的糖液浓缩方法。
膜蒸馏技术是以疏水微孔膜两侧压力差为传质推动力的新型分离技术,水分以蒸汽形式透过膜孔,水溶液不透过膜,因而溶质被膜截留;具有操作压力低(<0.2MPa)、操作温度低、截留率高等优点。膜蒸馏技术最早出现在20世纪60年代,主要用来制取饮用水(脱盐)。近年来,随着对膜蒸馏的传质机理、传热机理、温度极化现象、组件结构、操作方式、操作条件等作了深入研究,人们也开始研究诸如物料浓缩、废水处理、非常规分离等新应用领域。但是尚没有任何报道公开过可用于纤维素乙醇发酵中糖液的浓缩。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种浓缩效果好、能耗低的纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,首先通过膜滤获得去除了悬浮颗粒的糖液,然后采用膜蒸馏技术,糖液以40~70℃的温度进入疏水膜组件的一侧,使糖液中的水以蒸汽形式透过疏水膜组件上的微孔膜壁扩散至另一侧并经冷凝,从而实现糖液的浓缩。
作为本发明纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法的改进:特定的操作方式为直接接触式、气隙式、真空式、气扫式。
作为本发明纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法的进一步改进:微孔膜为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯等制成的疏水性微孔膜,孔径为0.1~1.0μm。
作为本发明纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法的进一步改进:疏水膜组件为中空纤维式组件、板框式组件或卷式组件。疏水膜组件可以为1个,也可以是2~30个疏水膜组件并联或串联在一起使用。
作为本发明纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法的进一步改进:直接接触式时,渗出侧采用冷水冷却,冷水进口温度为0~25℃,通过控制冷却水的流量将出口温度控制在30~50℃。
作为本发明纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法的进一步改进:气隙式操作时,渗出侧膜与冷却壁面间的气隙宽度为1~10mm,冷水进口温度为0~25℃,通过控制冷却水的流量将出口温度控制在30~50℃。
作为本发明纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法的进一步改进:真空式操作时,渗出侧保持真空度为0.083~0.098MPa。
作为本发明纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法的进一步改进:气扫式操作时,渗出侧吹扫气为空气或惰性气体(例如氮气等)。
本发明的纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,利用了单糖溶液中的单糖为不挥发物质可以被膜截留的特性,从而解决了传统糖液浓缩过程中存在的能耗大、易结焦等问题。本发明的方法技术先进,设备紧凑,占地面积小,浓缩时间短;浓缩温度低,可以直接利用低品位的工业废热和其他经济能源,具有节约能源、降低能耗、降低运行成本等优点,且不会发生结焦现象。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为实施例1所用的膜蒸馏浓缩装置的连接关系示意图;
图2为实施例3所用的膜蒸馏浓缩装置的连接关系示意图;
图3为实施例5中的4个疏水膜组件4的并连关系示意图(整个装置的其余部分省略);
图4为实施例6中的4个疏水膜组件4的串连关系示意图(整个装置的其余部分省略);
图5为实施例7所用的膜蒸馏浓缩装置的连接关系示意图;
图6为实施例8所用的膜蒸馏浓缩装置的连接关系示意图。
具体实施方式
实施例1、一种纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,依次进行以下步骤:
1)、膜滤(此为现有技术):
将水解糖液(浓度小于2%)通过膜过滤,以去除悬浮颗粒。
2)、膜蒸馏浓缩:
所用装置如图1所示,其选用单个疏水膜组件、且为利用真空式操作实现糖液的浓缩,因此整套装置的各连接处均需保持密封相连。
在带加热装置的料液罐1内放置去除了悬浮颗粒后的糖液,且料液罐1将糖液加热至50℃;在料液泵2的作用下,糖液通过控制阀3和进料管41被输送至疏水膜组件4(即进料管41与疏水膜组件4的左侧的下端相连通,糖液进入微孔膜的左侧内进行真空膜蒸馏浓缩脱水。控制阀3的作用是控制糖液的流量,疏水膜组件4可选用中空纤维式组件,选用聚偏氟乙烯制成的疏水性微孔膜,膜的孔径为0.18μm,膜的面积约为0.25m2。
微孔膜的右侧通过出水管43与冷却器5、收集瓶6和真空泵7依次相连。利用真空泵7,使膜的右侧的真空度保持0.098Mpa,此时微孔膜通量约为4L/m2h。
糖液中的水分在真空吸力的作用下,以蒸气形式透过微孔膜,通过出水管43进入冷却器5被冷却,然后流入收集瓶6内。
初步浓缩后的糖液通过位于疏水膜组件4顶部的出料管42(此出料管42与微孔膜左侧的上端相连通)返回至料液罐1内;继续进行下一次的浓缩;即实现了循环浓缩。当料液罐1内的料液体积约为初始糖液体积的十分之一时,结束浓缩。
最终所得的糖液中单糖浓度达20%。从微孔膜渗透过的水中单糖的浓度小于0.01%。
实施例2、一种纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,依次进行以下步骤:
1)、膜滤:同实施例1。
2)、膜蒸馏浓缩:
料液罐1将糖液加热至70℃;疏水膜组件4可选用板框式组件,选用聚丙烯制成的疏水性微孔膜,膜的孔径为0.1μm,膜的面积约为0.2m2。利用真空泵7,使膜的右侧的真空度保持0.090Mpa,此时微孔膜通量约为4.5L/m2h。
其余内容实施例1。
最终所得的糖液中单糖浓度达20%。从微孔膜渗透过的水中单糖的浓度小于0.01%。
实施例3、一种纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,依次进行以下步骤:
1)、膜滤:同实施例1。
2)、膜蒸馏浓缩:
所用装置如图2所示,其选用单个疏水膜组件、且为利用直接接触式操作实现糖液的浓缩。
在带加热装置的料液罐1内放置去除了悬浮颗粒后的糖液,且料液罐1将糖液加热至50℃;在料液泵2的作用下,糖液通过控制阀3和进料管41被输送至疏水膜组件4(即进料管41与疏水膜组件4左侧的下端相连通,糖液进入微孔膜的左侧)内进行直接接触式膜蒸馏浓缩脱水。控制阀3的作用是控制糖液的流量,疏水膜组件4可选用中空纤维式组件,选用聚偏氟乙烯制成的疏水性微孔膜,膜的孔径为0.18μm,膜的面积约为0.25m2。膜通量约为3L/m2h。
微孔膜右侧的上端依次通过进管44、控制阀8与水泵9相连,控制阀8用于控制冷却水的流量;微孔膜右侧的下端与出管45相连。从水泵9流出的25℃的冷却水从进管44进入微孔膜的右侧,然后从出管45流出。糖液中的水分在膜两侧温差作用下,以蒸汽形式透过微孔膜,然后随着冷却水一起从出管45流出。通过调节控制阀8,使出管45的流出的水温为45℃。
初步浓缩后的糖液通过位于疏水膜组件4顶部的出料管42(此出料管42与微孔膜的左侧相连通)返回至料液罐1内;继续进行下一次的浓缩;即实现了循环浓缩。
最终所得的糖液中单糖浓度达20%。从微孔膜渗透过的水中单糖的浓度小于0.01%。
实施例4、一种纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,依次进行以下步骤:
1)、膜滤:同实施例1。
2)、膜蒸馏浓缩:
料液罐1将糖液加热至70℃;选用聚丙烯制成的疏水性微孔膜,膜的孔径为0.1μm,采用卷式膜组件,膜的面积约为0.4m2。膜通量约为4L/m2h。从水泵9流出的冷却水温度为25℃。
其余内容同实施例3。
最终所得的糖液中单糖浓度达20%。从微孔膜渗透过的水中单糖的浓度小于0.01%。
实施例5、一种纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,依次进行以下步骤:
1)、膜滤:同实施例1。
2)、膜蒸馏浓缩:
用如图3所示的4个疏水膜组件4并联的总组件替代实施例3中的单个的疏水膜组件4;每个疏水膜组件4规格相同:选用聚丙烯制成的疏水性微孔膜,膜的孔径为0.1μm,膜的面积约为0.2m2。料液罐1将糖液加热至70℃;此时微孔膜通量约为4.5L/m2h。
其余同实施例3。
最终所得的糖液中单糖浓度达20%。从每个微孔膜渗透过的水中单糖的浓度小于0.01%。
实施例6、一种纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,依次进行以下步骤:
用如图4所示的4个疏水膜组件4串联的总组件替代实施例3中的单个的疏水膜组件4;每个疏水膜组件4规格相同:选用聚丙烯制成的疏水性微孔膜,膜的孔径为0.1μm,膜的面积约为0.2m2。料液罐1将糖液加热至70℃;此时微孔膜通量约为4L/m2h。
其余同实施例3。
最终所得的糖液中单糖浓度达20%。从每个微孔膜渗透过的水中单糖的浓度小于0.01%。
实施例7、一种纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,依次进行以下步骤:
1)、膜滤:同实施例1。
2)、膜蒸馏浓缩:
所用装置如图5所示,其选用单个疏水膜组件、且为利用气隙式操作实现糖液的浓缩。
在带加热装置的料液罐1内放置去除了悬浮颗粒后的糖液,且料液罐1将糖液加热至60℃;在料液泵2的作用下,糖液通过控制阀3和进料管41被输送至疏水膜组件4(即进料管41与疏水膜组件4左侧的下端相连通,糖液进入微孔膜的左侧)内进行气隙式膜蒸馏浓缩脱水。控制阀3的作用是控制糖液的流量,疏水膜组件4可选用平板式膜组件,选用聚乙烯制成的疏水性微孔膜,膜的孔径为0.36μm,膜的面积约为0.1m2。膜通量约为3L/m2h。
微孔膜右侧有一冷却室46,膜与冷却室46壁面之间有一宽度为5mm的空隙。冷却室46的上端依次通过进管44、控制阀8与水泵9相连,控制阀8用于控制冷却水的流量;冷却室46的下端与出管45相连。从水泵9流出的25℃的冷却水从进管44进入冷却室46,然后从出管45流出。通过调节控制阀8,使出管45流出的水温为45℃。糖液中的水分在膜两侧温差作用下,以蒸汽形式透过微孔膜,然后在冷却室46的壁面461上冷凝并沿此壁面461从空隙流出。
初步浓缩后的糖液通过位于疏水膜组件4顶部的出料管42(此出料管42与微孔膜的左侧相连通)返回至料液罐1内;继续进行下一次的浓缩;即实现了循环浓缩。
最终所得的糖液中单糖浓度达20%。从微孔膜渗透过的水中单糖的浓度小于0.01%。
实施例8、一种纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,依次进行以下步骤:
1)、膜滤:同实施例1。
2)、膜蒸馏浓缩:
所用装置如图6所示,其选用单个疏水膜组件、以空气为吹扫气进行气扫式操作实现糖液的浓缩。
在带加热装置的料液罐1内放置去除了悬浮颗粒后的糖液,且料液罐1将糖液加热至65℃;在料液泵2的作用下,糖液通过控制阀3和进料管41被输送至疏水膜组件4(即进料管41与中空纤维膜组件管程相连通,糖液进入微孔膜的管程)内进行气扫式膜蒸馏浓缩脱水。控制阀3的作用是控制糖液的流量,疏水膜组件4可选用中空纤维膜组件,选用聚氯乙烯制成的疏水性微孔膜,膜的孔径为0.18μm,膜的面积约为0.25m2。膜通量约为6.5L/m2h。
中空纤维膜组件壳程的上端依次通过进管44、流量计47与风机48相连,流量计47用于控制吹扫气的流量;中空纤维膜组件壳程的下端与出管45相连。空气由风机48经流量计47和进管44送至中空纤维膜组件的壳程,然后从出管45流出。糖液中的水分在膜两侧温差作用下,以蒸汽形式透过微孔膜,然后随着吹扫气一起从出管45流出。
初步浓缩后的糖液通过位于疏水膜组件4顶部的出料管42(此出料管42与中空纤维膜组件管程相连通)返回至料液罐1内;继续进行下一次的浓缩;即实现了循环浓缩。
最终所得的糖液中单糖浓度达20%。从微孔膜渗透过的水中单糖的浓度小于0.01%。
最后,还需要注意的是,以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然,本发明不限于以上实施例,还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形,均应认为是本发明的保护范围。
Claims (10)
1、一种纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,首先通过膜滤获得去除了悬浮颗粒的糖液,其特征是:然后采用膜蒸馏技术,所述糖液以40~70℃的温度进入疏水膜组件的一侧,使糖液中的水以蒸汽形式透过疏水膜组件上的微孔膜壁扩散至另一侧并经冷凝,从而实现糖液的浓缩。
2、根据权利1所述的纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,其特征是:所述冷凝的实现方式为直接接触式、气隙式、真空式或气扫式。
3、根据权利2所述的纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,其特征是:所述微孔膜为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯制成的疏水性微孔膜,孔径为0.1~1.0μm。
4、根据权利3所述的纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,其特征是:所述疏水膜组件为中空纤维式组件、板框式组件或卷式组件。
5、根据权利4所述的纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,其特征是:所述疏水膜组件为1个。
6、根据权利4所述的纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,其特征是:2~30个疏水膜组件并联或串联在一起。
7、根据权利5或6所述的纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,其特征是:直接接触式操作时,渗出侧采用冷水冷却,冷水进口温度为0~25℃,通过控制冷却水的流量将其出口温度控制在30~50℃。
8、根据权利5或6所述的纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,其特征是:气隙式操作时,渗出侧膜与冷却壁面间的气隙宽度为1~10mm,冷水进口温度为0~25℃,通过控制冷却水的流量将其出口温度控制在30~50℃。
9、根据权利5或6所述的纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,其特征是:真空式操作时,渗出侧保持真空度为0.083~0.098MPa。
10、根据权利5或6所述的纤维素乙醇发酵中糖液的提浓方法,其特征是:气扫式操作时,渗出侧所用吹扫气为空气或惰性气体。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080924 |