CN101555495B - 乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纤维生物质炼制技术，尤其是一种乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统。它是在在秸秆清洁制浆基础上，应用化学和生物的组合方法使分离成浆的纤维素和半纤维素及蒸煮废液中分离出来的多糖全部水解成六碳糖和五碳糖，并将其转化成以乙醇为主导的系列化学、生物基产品。作为一种“先分离、后处理”的秸秆生物炼制集成系统，不仅充分有效地利用了秸秆原料中的纤维素和半纤维素，而且将占原料20-25％的木质素，生产过程中产生的料渣、浆渣、糟渣及灰分(矿物质)，全部转化成高附加值产品。在实现全封闭、零排放的环境目标前提下，将燃料乙醇的生产成本(秸秆生物质全量利用后的分摊成本)控制在1800--2000元/t。

Description

乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统

一、技术领域

本发明涉及纤维生物质炼制技术，尤其是一种乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统。

二、背景技术

近年来，随着矿石化能源日趋枯竭，在可持续发展、保护环境和循环经济追求中，世界目光又一次聚焦到可再生的植物纤维资源上。一种主要以农林废弃物(纤维生物质)为原料，生产生物质能源、化学产品和生物基材料的现代生物炼制产业已经浮出水面。一个充满活力、有着广阔发展前景的新兴产业出现引起了国际社会的高度关注，发展生物炼制产业成为国家发展战略中的一项重要目标。

据中国化工网2007年8月1日报导(中国科学技术信息研究所加工整理.“各国木质纤维素原料生物转化燃料乙醇工业化进程”)：“目前世界各国研究利用木质纤维素发酵生产乙醇的科研机构都围绕着这几大技术关键进行攻关。一是预处理工艺，即通过各种方法，如气爆法、湿氧化法、稀酸法或几种方法的组合，破坏秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素结构，使之松散，亦可使半纤维素水解；二是水解工艺，即通过酶法或酸法把上述物质中的纤维素、半纤维素水解成六碳糖和五碳糖；三是发酵工艺，选用特殊的共酵菌种对上述六碳糖和五碳糖发酵，生产乙醇。但是，目前世界上还没有一家工业规模利用纤维质原料生产燃料乙醇的企业。其主要制造障碍为：①酶解成本高；②缺乏经济可行的五碳糖发酵技术。因此技术路线的优化组合问题、生产过程中成本降低的问题以及乙醇废糟的综合利用问题，值得我们认真深入探讨研究解决”。(据该报导：目前国内外纤维生物质转化燃料乙醇的生产成本为4500一5500元/T)。

“生物炼制是一个加工厂的完整概念。它是以石油化学炼制厂为基础的”。“与石油相类似，生物质也具有复杂组分。它首先要被分离成为某些合适组分，然后再对这些不同组分进行处理，从而生产出整个品系”〔(德)波吉特·卡姆等著、马延和主译。生物炼制——工业过程与产品(上卷)。北京：化学工业出版社，2007.第13-15页〕。纵观国内外纤维生物质炼制研究开发现状，都还没有突破用纤维质原料生产单一产品的传统观念，尽管在纤维素酶系和共酵菌种的研发方面也都取得了一些进展，但其总体技术并不成熟，离产业化目标还很遥远。值得深省的是：必须学习石油化工的发展经验，依照“先分离、后处理”的生产模式，构建一种充分利用纤维生物质的每一组分、将其转化成品系产品的生物炼制集成系统，才能从根本上解决纤维生物质转化技术经济效益不过关的问题。

“生物炼制并不是一个新的概念，以其最简单的形式，许多部分已经实行了上千年”(同上.生物炼制——工业过程与产品(上卷)。北京：化学工业出版社，2007.第70页)。事实上，传统制浆造纸业是最早利用植物纤维资源，生产生物基产品的古老生物炼制产业。在我国，采用物理和化学的组合方法，从纤维质原料中分离出纸浆有着近二千年的历史。由于它仅只利用了植物纤维中的纤维素和部分半纤维素，而把占原料总量50％以上的木质素、纤维素和半纤维素降解产生的糖类(低聚糖和单糖)及挥发性有机酸等全部当作废物，从而造成了对环境的严重污染。充分利用资源，实现废物最少化是当代清洁生产的核心内涵。因此，现代制浆发展的新趋势也许最好用这句话来概括，即“纤维原料精炼概念”(江曼霞译。第二届国际非木材制浆回忆论文选译。1994.第21-27页)。此概念所依据的基本原理不同于传统制浆工艺，在这里纤维原料不再简单视为纤维素纤维的来源，而是作为一种复合型材料，从中可以分离出诸多有用的产物，纸浆只是其中一种。

本申请人的ZL02121021.7和ZL01135893.9两项发明专利(均已授权)就是根据“纤维原料精炼概念”，在从秸秆纤维中分离出纸浆的同时，以物理、化学、生物和膜过程的集成技术，将溶入废液中的挥发性有机酸、木素磺酸盐、低聚糖(或多糖)，逐一处理加工成高附加值产品，从而实现秸秆制浆全过程(备料、蒸煮制浆和废液综合利用)的清洁生产。

本发明是上述成果的进一步延伸和发展，即在实现秸秆清洁制浆基础上，应用化学和生物的组合方法使分离成浆的纤维素、半纤维素及蒸煮废液中分离出来的多糖全部水解成六碳糖和五碳糖，并将其转化成以乙醇为主导的系列化学、生物基产品；生产过程中产生的料渣、浆渣、糟渣及灰分(矿物质)，则全部用于生产木素基生物肥料，由此构建了一种“乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统”。

三、发明内容

为解决目前国内外纤维生物质转化乙醇技术经济效益不过关、迟迟不能投入商业化运营，本发明研发了一种“乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统”。该系统能够全量利用纤维生物质的所有组分(纤维素、半纤维素、木质素和灰分)，从而生产出整个品系。它不仅能大幅度降低燃料乙醇的生产成本，而且为现代纤维生物质炼制的产业化，提供一个切实可行的生产范式。

该集成系统由清洁制浆、浆料水解、乙醇发酵、戊糖利用和生物肥料生产共五个操作单元(工段)组成。现就以上操作单元的转化工艺与设备的集成、相互间的结合关系和操作要点说明如下。

1、清洁制浆

传统的化学法制浆，实质上是以物理与化学的组合方法从纤维原料中分离纸浆的工艺过程；而现代清洁制浆则要求在从纤维原料中分离出纸浆的同时，还要把溶入蒸煮废液中的木质素、纤维素和半纤维素降解产生的糖类(低聚糖和多糖)及挥发性有机酸全部处理加工成系列产品。在这里，作为秸秆生物炼制全封闭集成系统的第一操作单元，从纤维原料中分离出的纤维素浆料已经不再用于造纸，而是作为转化乙醇和系列化学制品、生物基材料的平台产品。因此，对于原来用于造纸而对纸浆的一些物理性能等指标也就失去任何意义。基于提高制浆生产效率，对原秸秆清洁制浆工艺，包括“麦(稻)草全封闭干湿法备料系统(ZL02121021.7)”、碱性(或中性)亚硫酸钠法(ASA)制浆和“碱性(或中性)亚硫酸钠法蒸煮废液资源化综合利用技术(ZL 01135893.9)”等工艺程序，作一些必要的简化和调整。

a.备料工序：

备料的工艺目的主要是清除秸秆原料中的泥沙和杂物，对含杂细胞较多的叶、节、穗、梢等可以适量的保留一些。对原来用于纸浆生产而要求除杂率达15％以上、修改为8-12％。为此，对“麦(稻)草全封闭干湿法备料系统”(ZL 02121021.7说明书第2/7页)中：2.草片碎解部分的水力碎解机筛板孔眼由原来Φ18-28mm放大到25-35mm，并省去与之相配合的园盘疏解机；3.网带洗草机(说明书第3/7页)中，省去悬振坡筛装置。

b.蒸煮制浆：

该工序的工艺目的是通过碱性(或中性)亚硫酸钠法蒸煮，将木质素最大限度地从纤维结构中溶脱下来；与之同时降解天然纤维素的聚合度、破坏晶体纤维结构，使其转变为无定形的纤维素II和纤维素III，从而为纤维素浆料的高效水解提供有利条件。提高蒸煮温度、增加亚硫酸钠和蒽醌用量，可以加快反应速率、缩短蒸煮时间，用以提高蒸煮制浆的生产效率。在这里对浆料质量要求是能以常规的洗涤设备(水平带式或螺旋网带洗浆机)进行充分有效的洗涤，对原来用于纸浆生产工艺中的浆料净化、筛选、打浆等工艺程序，全部予以删除。

c.废液综合利用：

对于秸杆生物炼制集成系统来说，蒸煮废液资源化综合利用，实质上是在从秸秆纤维原料中分离出纤维素浆料的同时，对其它组分进行处理加工的工艺过程。在这里，由纤维素、半纤维素降解产生的糖类(低聚糖和多糖)只需从蒸煮废液中分离出来，然后随浆料一起进入水解单元。因此，对原来“碱性(或中性)亚硫酸钠法蒸煮废液资源化综合利用技术”(ZL01135893.9说明书第4/9页)中：2.酶促水解改称为预水解、即将浓缩酸化后的废液，加酸调整pH值1-1.5，处理温度125-130℃，时间20min，使大分子的低聚糖水解成分子量低于2000的多糖。4.电渗析分离工序(说明书第6/9页)的最后一段修改为“淡室出水口流出的是符合含盐量控制标准的多糖液，随纤维素浆料同时进入水解单元”。

清洁制浆工艺与设备的集成和操作要点：

被切成20-30mm长的草片，经喷洗淋干后送入水力碎解机；草片在剧烈水力作用下得到进一步清洗，并在叶轮与筛板间隙间互相摩擦被撕裂；然后穿过Φ25-35mm筛板孔眼落到输送网带上，随网带平行起伏前进通过喷洗区；净化的草片稍作淋干即被送往螺旋压榨机，经压榨至35-40％干度后由输送带送至蒸煮制浆工序。喷洗废水经出水槽流入振框筛，清除屑杂、泥沙后送入网带洗草→草片喷洗→草片碎解三段循环用水系统；通过三段循环用水将水溶液中有机物浓度提高到一个允许范围内，再从草片碎解脱水处连续不断提取定量废水，经超滤分离装置将低聚糖类有机物浓缩至10-15％浓度后送至蒸煮废液资源化综合利用的浓缩酸化工序；透过液由超滤器单元组件中多孔透水板引出，汇集后送至综合利用的苛化工序，苛化后同苛化工序中的滤渣洗涤水一起返回，以组成网带洗草机用水，从而构成一个能够长期稳定运行的循环用水系统。麦稻草全封闭干湿法备料系统的总除杂率为8-12％。

来自备料系统的净化草片，通过转子计量器按定量供料，使草片落入双辊混合器；在双辊混合器内，草片和预热到80-90℃的蒸煮药液充分混合，再经预压螺旋输送器压出多余药液，通过预压螺旋内设筛板返回药液储槽；与药液充分混合的草片又通过螺旋供料器、并在供料器末端形成“草塞”，再落入蒸煮器内；与此同时，由螺旋供料器挤出的多余药液，从蒸煮器顶部药液口压入，在强烈搅拌下与落入蒸煮器的“草塞”形成一定液比的混合草料进入第一根蒸煮管，在蒸煮管内设螺旋推进器作用下，从第二根蒸煮管排出，通过翼式出料器和弯管排料阀，送至喷放锅。在这里，采用国产ZJL-3型横管连蒸器蒸煮麦草的工艺条件是：亚硫酸钠16％，氢氧化钠4％，蒽醌0.1％(与风干草料质量分数)，液比1∶2.8-3.0，蒸气压力650-700千帕，蒸煮温度165-170℃，蒸煮时间20-25min。可以获得高锰酸钾值12-15，即脱除秸秆纤维木质素总量90％以上的纤维素粗浆料500-520kg/t风干麦草。

浆泵从喷放锅底部抽取浆料送到水平带式真空洗浆机的调浆箱后，被循环的废液稀释成3-4％的浓度，在流浆箱上浆，随着滤网水平前进，在滤网上形成厚薄均匀的浆层，经过第一个真空箱吸滤后，再经过4-5个真空箱逆流抽吸洗涤，最后一段是热水(90-95℃)洗涤，洗涤后的浆料经集浆槽送至浆料水解单元；抽提的浓废液送至蒸煮废液资源化综合利用系统。

抽提的黑液经文丘里蒸发分离组合装置浓缩酸化，由8-9m³浓缩到6-7m³/t风干浆，同时在锅炉烟气中CO₂、SO₂和SO₃等酸性气体作用下，将溶入废液的挥发性有机酸置换出来，制得甲酸、乙酸等产品；浓缩酸化后的废液，加稀硫酸调整pH值1-1.5，送入预水解器，处理温度125-130℃，时间20min，使大分子的低聚糖水解成分子量低于2000的多糖；用石灰乳调整pH值5.5-6.5，再用压力水泵将水解并经深层过滤和微孔过滤的废液在压力0.8Mpa、温度70-80℃下，泵入一级四段加水净化的超滤装置进液口，得到浓度20％的高纯度木素磺酸钠溶液，经进一步浓缩、干燥制得95％以上的固态产品；从超滤装置流出的透过液经电渗析分离，钠盐液苛化后重新用于配制蒸煮药液，符合含盐量控制标准的多糖液与纤维素浆料同时进入浆料水解单元。

2、浆料水解

该单元的转化工艺实质上是由化学和生物的组合、即酸法水解和酶法水解二种方法之间的相互支持与配合，将浆料中的纤维素、半纤维素和蒸煮废液中分离出来的多糖全部水解成六碳糖和五碳糖。

酸法水解是对碱性亚硫酸钠蒽醌法(ASA)制浆的紧密配合与支持，即在已经脱除木质素总量90％，且晶体纤维素也都转变成无定形纤维素II和纤维素III的基础上，进一步将残余的木质素、半纤维素和木质素与半纤维素有着化学键连接的复合体LCC从纤维细胞壁结构中全部溶脱出来。在酸水解的作用下，半纤维素和多糖被水解成五碳糖；纤维素则被降解到平均聚合度600-800，并呈高度溶胀状态。

普遍认为，天然纤维素物料的酶解速率主要受到纤维的比表面积、结晶度、纤维素的聚合度、木质素含量和细胞壁结构的影响。由此可见，酸法水解为提高纤维素的酶解效率，提供了充分有利的外部条件。纤维素酶酶系的组成对酶解效率的影响也很大，鉴于目前对新型酶系的发现、改造与应用都还处于研究开发中，在这里仍然采用了目前常用的里氏木霉生产的纤维素酶、添加适量的β-葡萄苷酶，对酸法水解后的纤维素浆料进行酶解(糖化)，其酶解效率比蒸汽爆破法的麦草浆提高1.5-2.0倍。

浆料水解工艺与设备的集成和操作要点：

经最后一段热水洗涤的浆料由螺旋输送机挤出多余热水(浓度30％)，通过转子计量器按定量供料，进入螺旋送料器、并在送料器末端形成“浆塞”，再落入酸水解器的碎浆刀盘上；与之同时，由清洁制浆单元送来的多糖液在加入H₂SO₄ 1-1.5％、H₂SO₃ 0.4-0.6％(与风干粗浆料质量分数)、搅拌均匀后经热交换器预热至85-95℃，通过高压酸泵经转子流量计，从水解器上部环形喷液管定量射向落下的“浆塞”料上(加入多糖液的容积应与产生该容积多糖液的浆料量相当)，在高速旋转的碎浆刀盘作用下迅速混合成15-20％的浆料液；在温度135-140℃下，浆料随水解器内设螺旋输泥机的旋转缓慢下沉，经25-35min后由水解器底部的翼式出料器和S-弯管排料阀进入螺旋推进器，经热交换器冷却至90-95℃流入中间池；呈泥浆状的酸水解浆料经自然冷却至55-60℃，加入石灰乳液将其pH调整到5后，用泥浆泵送入酶水解池。

酶水解池是若干个足以保障乙醇发酵单元24小时生产用量的大型纤维素酶糖化容器，设有能使物料与酶溶液充分混合的搅拌和恒温(50℃)装置。里氏木霉的纤维素酶用量为10-12FPU/g对底物(干纤维素)、添加β-葡萄苷酶为纤维素酶用量的0.4-0.6％。为降低酶解费用可以直接使用现场生产的里氏木霉的粗发酵液(粗酶液)，其用量为50-60L/t干纤维素；酶水解过程在50℃下约需4-5天，随着酶水解反应的进行，料液的黏度逐渐下降，不溶解的木素浆渣悬浮于糖液中，待糖转化率达92-96％即可终止；用石灰乳液将糖液pH调到7.5-8.0，以清除SO₂、乙酸、糠醛和重金属等有害物质，经盘式过滤机除去浆渣并在连续(或间歇)除渣器中排除亚硫酸钙、硫酸钙、乙酸钙等沉淀物后送往乙醇发酵单元。浆渣和沉淀物应充分洗净，洗涤液送回糖溶液中。

3.乙醇发酵

水解后的糖液含有葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、甘露糖、半乳糖及一些有机杂质。采用酵母或经过基因改造后的酵母菌将葡萄糖(含甘露糖、半乳糖)或者连同木糖、阿拉伯糖转化成乙醇，称谓乙醇发酵。若选用其它合适的菌种也可以将其转化成乳酸、丁酸、丙酮、丁醇等化工产品。在这里，所要构建的是以乙醇为导向，能够体现纤维素、半纤维素、木质素三大品系产品的秸秆生物炼制集成系统。对于目前研究开发中的六碳糖和五碳糖同步发酵技术暂不采用，因为它现在还不成熟、且在同步发酵中五碳糖转化乙醇的多少对本集成系统的经济效益不会产生多大影响。酿酒酵母(S.cerevisical)是生产乙醇的最佳菌株，在厌氧条件下可以良好地生长并发酵己糖获得较高的乙醇得率，同时具有很好的乙醇耐受性和对一些生长抑制因子如乙酸、糠醛也具有较高的抗性；选用酿酒酵母的优势还在于其工艺操作，包括微生物污染控制和细胞循环等都是相当成熟的传统技术。用酿酒酵母发酵葡萄糖生产乙醇的反应原理可简写为：

C₆H₁₂O₆——→2C₂H₅OH+2CO₂

反应式表明：理论上每克分子已糖，可生成2克分子乙醇和2克分子CO₂，即100kg发酵糖可制得51.14kg乙醇和48.86kg二氧化碳。

为了给菌种创造一定的工作条件，应该注意给发酵环节提供合适的温度、浓度和pH值。由于发酵后的醪液中，还含有甲醇、醛、酮、酸等挥发物，需要采用精馏等方法。这里生产的是燃料用乙醇，还需要将精馏后含量为95-96％的工业乙醇脱水，以制得含量99.5％以上的无水乙醇。糖液发酵制取燃料乙醇的主要生产工艺流程如图4、图5所示。

乙醇发酵生产工艺与设备的集成和操作要点：

a.糖液发酵的前置处理

为进一步清除糖液中残留的SO₂、乙酸、糠醛这些对酵母菌非常敏感的毒性物质，在糖液发酵前需用蒸气予以吹除。由于酵母菌经长期繁殖培养，可以逐渐适应含有SO₂、乙酸、糠醛的环境；因此，在经过一段生产运营(2-3个月)后，可酌情逐步缩短蒸气吹除时间(从1.0-1.5h始)，直到取消这个生产环节。蒸气吹除后的糖液经热交换器冷却至34℃再送入发酵工序。

b.发酵

水解糖液乙醇发酵最合理的方法是单浓度单流加连续发酵工艺，即只用一种浓度的稀糖液进行单流加以实现连续发酵流程。该流程的工艺特点是：将稀释成4-6％浓度(己糖与水的质量分数)、pH值3.8-4.0(用质量分数2∶1的硫酸与盐酸调整)、加入适量营养盐(硫酸铵、磷酸)，温度为30-32℃的稀糖液与成熟酵母醪同时进入第一个发酵罐(亦称酵母繁殖罐)，酵母繁殖与发酵同时进行、产生足够数量酵母细胞的发酵醪，前一个发酵罐满罐后、依次进入下一罐(通常由6-8个发酵罐组成)，发酵液于28-32℃下在连续流动中发酵成熟。

使用商品乙醇活性干酵母代替传统自培酒母，可节省用于培养酒母的厂房设备和人员投资、简化生产环节、提高劳动生产率并且能保证乙醇生产的稳定。国产常温AADY和耐高温AADY都是水解糖液发酵适用的活性干酵母、常温AADY的用量一般为原料量的0.08-0.12％；耐高温AADY的用量为原料量的0.05％。用5-10倍、38-40℃稀糖液，将干酵母投入，搅拌均匀、复水15min，再降温至31-33℃、活化1-3h即可投入发酵罐。

分离回收乙醇发酵成熟醪中的酵母返回发酵罐供糖液发酵用，可以大量节省活性干酵母的用量，增加发酵罐中酵母浓度，直接进入主发酵期，缩短发酵时间，提高乙醇得率和设备利用率。其实际操作为：发酵成熟醪先经曲筛(筛缝0.2mm)一级分离，除去纤维、醪渣等杂质，在压力0.05Mpa下泵入膜孔径0.8-1.5μm板框式微滤器(MF)，分离出来的酵母乳送返酵母罐，活化后重新投入使用。

c.蒸馏与精馏

经30-35h发酵后，得到含乙醇约2-3％的醪液。其中还含有挥发性的醛、酯和高级醇。醪液送入醪塔，在104-106℃进行蒸馏，得到含乙醇20％的蒸馏液。再在分馏塔中进行蒸馏提纯，首先分馏去除醛、酯及有机酸。然后粗乙醇进入精馏塔，在其中浓缩到95-96.5％，并除去杂醇油。最后将此乙醇间接加热至80-82℃，送入甲醇分离塔，甲醇由塔顶排出，成品工业乙醇由塔底流出。

在传统乙醇生产中，蒸馏能耗约占总能耗的60-70％，其中大量热能被冷却水、废液带走造成损失。因此，寻求降低能耗、特别是燃料乙醇生产中的蒸馏节能技术显得越来越重要。多效差压蒸馏是充分利用固定冷热源之间的过剩温差、从而降低有效能的损失，提高整个蒸馏系统的热力学效率。图5所示的从成熟醪制取无水乙醇的双效差压蒸馏/蒸气渗透集成过程中，双效差压蒸馏流程由两个醪塔和一个精馏塔组成，其中高压醪塔的塔顶蒸汽作为低压醪塔塔底再沸器加热介质，可节能35-40％，增加的设备投资费用可从半年的节能效益中回收。

d.蒸气渗透

蒸气渗透是渗透汽化的一种具有独特优势的变形，因为它不仅经济效益好，而且操作管理简单，从而成为当代乙醇脱水工艺的首选目标。蒸气渗透乙醇脱水装置由一个蒸发器和三个串联的蒸气渗透器组成，从甲醇分离塔流出的含量为95-96％的乙醇/水溶液进入蒸发器，蒸发成0.22Mpa、100℃饱和蒸气后，进入第一个蒸气渗透器，在最大负荷条件下，蒸气压力降为0.05Mpa，相应的温度降为5℃，用单级罗茨蒸气压缩机压缩成100℃饱和蒸气后进入第二个蒸气渗透器，第二蒸气渗透器出来的蒸气又经压缩进入第三个，从第三个蒸气渗透器出来的渗余气在热交换器中冷凝成液体，即为无水乙醇(燃料乙醇)产品。渗透气送回乙醇精馏塔，以回收其中残余的乙醇。从95％的乙醇/水溶液制备99.5％无水乙醇，与恒沸精馏法相比较，蒸气渗透法的操作费用可节约65％以上。

e.副产品的回收利用

乙醇发酵生产中的主要副产品有：二氧化碳、杂醇油、乙醇酵母等。作好这些副产品的回收利用，不仅可以获得可观的经济效益，而且也是乙醇发酵清洁生产的重要内容。

乙醇发酵产生的二氧化碳纯度较高、杂质较少，一般可达到99％以上。在生产中只需对这些杂质进行简单处理，即可获得高纯度二氧化碳。利用回收的二氧化碳可用来生产干冰(固态二氧化碳)、液态二氧化碳、纯碱、轻质碳酸钙等，不仅可以广泛用于焊接、饮料、医药等行业，而且还可以作为一种“碳肥”直接用于农业(如大棚蔬菜、瓜果)生产中。现代回收多采用低压法(1.6-1.95Mpa压力下液化)工艺，其主要生产工序为：收集→洗涤→压缩→净化→干燥→液化→储存。在二氧化碳回收生产中，实际回收量为乙醇产量的50-70％。

杂醇油是以异戊醇为代表的多种高级醇的混合物，它是乙醇生产中具有较高价值和广泛用途的一种副产品。从精馏塔抽提出来的杂醇油是一种由淡黄色到红褐色的透明液体，其回收量通常为乙醇产量的0.4-0.6％。

乙醇酵母返回发酵罐供糖液发酵用，多余的酵母可制成面包酵母、医药酵母、核糖核酸和核苷酸等。

乙醇发酵生产过程产生的废液(酒糟液)，含有大量的五碳糖(木糖和阿拉伯糖，总量约为六碳糖的50-55％)和少量没被乙醇酵母发酵的己糖，以及木素磺酸盐、糖醛酸、乙酸等有机物，作为五碳糖利用的原料液被送往系统的第四操作单元。

4.戊糖利用

“以乙醇为唯一产品，如果没有政府补贴的话，该加工过程不会有赢利。但是，如果木糖从发酵过程转向生产糠醛，一种通用的化学中间体，那么总的生产过程就会有利可图”(波吉特.卡姆等著，马延和主译，生物炼制-工业过程与产品，化学工业出版社。2007.104页)。利用半纤维素的戊糖生产糠醛及其衍生物(糠醇、四氢呋喃、乙酰丙酸等)，都是现有的成熟工艺技术，当前我国就是世界上糠醛的最大生产国，年产量高达150-200kt，约占世界总生产能力的一半。现在值得令人关注的是利用含糖工业废液培养酵母，也是工业化了的发酵工艺。用乙醇发酵后的糟液培养酵母，不仅可以取得与生产糠醛相似的经济效益，而且也是秸秆生物炼制实现全封闭生产不可缺少的重要环节。因此，本集成系统的五碳糖利用单元的首选工艺是戊糖发酵。

利用酸法木浆废液中的五碳糖连续发酵生产饲料酵母在国外已有近百年的历史，目前世界总产量在400kt左右，我国仅有石砚造纸厂利用酸法废液生产少量酵母蛋白。用含糖工业废液生产单细胞蛋白最早始于二十世纪初的假丝酵母法和1976年由芬兰造纸研究所开发的佩基洛流程(Pekilo Proccss)。该流程的主要优点是选用了一种丝状真菌-拟青霉进行发酵，它的形体要比假丝酵母菌大得多，因此可以用简单而经济的过滤方法从培养液中收获菌体，同时也可以机械压榨的方法脱水，从而大幅度的降低设备投资和生产成本。

拟青霉菌株不但可以利用糟液中的单糖(戊糖和己糖)，还可以利用其中的低聚糖(或多糖)、醛糖、醛酸、甲醇、乙酸、糠醛等全部碳水化合物，其转化率可达55％。糟液(包括利用酒糟中的戊糖生产糠醛后的残液)发酵生产单细胞蛋白的Pekilo流程如图6所示。其生产工艺和操作要点：

a.发酵前置处理

由醪塔(高压、低压)出来的糟液滤除糟渣后，经热交换器冷却至50-60℃，送入中和槽，将废液调节合适温度(28-30℃)和浓度8-10％(总碳水化合物与水的质量分数)，用NH₄OH溶液调整pH值约4.5、并当作营养盐，再加入KCL和Na₃PO₄营养成分；从菌种培养罐中接入拟青霉，然后送入无菌搅拌密闭发酵罐中。

b.增殖发酵

向发酵罐内连续通入经过灭菌处理的压缩空气，以促进菌株增殖，发酵热由发酵罐内的冷凝器移出，发酵液在罐内停留4-5h。

c.菌体分离、浓缩与干燥

发酵后的发酵液连续从发酵罐取出，用转鼓过滤机分离菌体、洗涤和脱水，然后用压滤机进一步脱水至干物质30％以上，最后在于燥机中干燥到90％干度，其产品即为Pekilo蛋白。其中粗蛋白含量达52-57％，灰分6-8％，富含维生素和各种氨基酸；与其它蛋白质原料相比，它是一种更为良好的饲料蛋白资源。

d.废液处理

该集成系统每生产一吨燃料乙醇，将会产生Pekilo发酵后的废液(含过滤机的少量洗涤水)约40-45m³。其中2/3的废液滤清后直接用于清洁制浆单元的浆料前4-5段逆流洗涤用水，废液中的木素磺酸钠在进入蒸煮废液资源化综合利用的超滤工序后被回收；余下的1/3送入废液蒸发工序，经蒸发浓缩至40-45％(有机、无机固形物)后，作为木素基生物肥料生产的粘合剂和矿物质添加剂被送往系统的第五操作单元；冷凝水，经预热后用作清洁制浆单元浆料洗涤最后一段的热水洗涤用水，从而构成一个能够长期稳定运行的秸杆生物炼制全封闭循环用水系统。

若分出部分糟液、将其浓缩成含戊糖20％左右的浓糟液，加入硫酸4.5％(与糟液质量分数)、反应温度170℃、保温70min使戊糖转化成糠醛，然后将生产糠醛后产生的废液与余下的糟液一起发酵生产Pekilo蛋白，可以取得与戊糖发酵生产相同的经济效益和环境效益。

5.生物肥料生产

在秸秆转化以乙醇(或其它产品)为主导的系列化学，生物基产品的生产过程中，将产生约占原料总量15-25％的料渣、浆渣、糟渣和无机矿物质(灰分)。充分有效地利用这些以木质素为主要成分的有机、无机废物，不仅有利于生物炼制系统获得经济效益，而且还有利于造福生态环境，实现真正的环保型效益。因此，作为一个完善的秸秆生物炼制系统，木素基生物肥料(包括木素基缓释肥)生产是其不可缺少的重要组成部分。

众所周知，土壤是人类赖以生存发展的基础，而土壤的肥沃又是农业高产的基础。在农作物增产的诸因素中肥料所起的作用一般在60％左右，为使农业稳产、高产、高效、优质健康发展，所使用的肥料是关键。在我国，由于长期大量使用化肥，不仅使大量化肥成为无效投入，而且严重破坏了土壤的物理结构，造成腐殖土大量减少，土壤板结、酸化、养分失调、地力下降、地下水被无机肥释放的氮源严重污染。为保护生态环境和农田土壤，对农业生产中的施肥技术必须加以改革。要大量减少化肥的使用量，保证有足够数量的有机质返回土壤，以促进农业生态系统的良性循环，达到保持和增强土壤肥力及其生物活性的目的。

生物肥料是以土壤有益微生物为核心的活性肥源及有机、无机物和微量元素为基质载体，发酵增殖后组成的复混生物活性肥料。除含有高效的固氮、解磷、解钾活性微生物外，还有丰富的有机、无机物质和微量元素，它既有肥效持久、壮苗抗病、改良土壤、提高产量、改善作物品质等优点，又能克服大量使用化肥、农药带来的环境污染、生态破坏等弊端。本集成系统的生物肥料生产采用传统的生物肥料制造技术，其所用的机械设备和工艺流程也基本相同。与传统生物肥料制造不同之处仅在于原料的选择，前者是全秸秆粉碎发酵后再加入其它微生物菌剂，而本工艺基质载体选用秸秆生物炼制的残渣粉碎后筛分(60-80目)出来的营养富集部分，载体原料是以木质素(包括可溶性木素磺酸盐)为主要成分的有机和无机物质。近代研究结果表明：与其它生物质(如糖类、蛋白质、淀粉、纤维素等)相比，木质素在腐殖化过程中降解最慢，因此腐殖土主要是由木质素转化而成，这也是使用秸秆生物炼制废弃物生产生物肥料的优点之一。

木素基生物肥料生产工艺流程分作生物肥料生产和菌种生产两个部分。图7所示的木素基生物肥料生产工艺主要是将具有特殊功能的微生物和它的有效代谢产物用基质载体吸附后，再与粉碎的秸秆生物炼制后的残渣、作物必须的中微量元素、特效添加物质、有机和无机矿物质(废液浓缩物)复配造粒成型。所需的生产设备与一般团粒法复混肥生产线基本相同，其中大多是标准设备，主要有：粉碎机、搅拌机、造粒机、低温干燥和筛分设备等。其菌种生产部分，也属常规菌种扩培、生产的工艺流程，值得注意的是对于微生物菌剂的选择一定要与土地的实际使用紧密结合起来。由于我国土壤普遍缺氮，侧重于以固氮菌为核心；对缺磷、缺钾地区配加磷细菌和钾细菌，有土壤病菌危害地区加入抗病固氮菌等制成多种剂型的专用生物肥料。

本集成系统每6.0-6.5吨小麦秸秆(风干)可生产：燃料乙醇1.0t，高纯度木素磺酸钠0.9-1.0t，单细胞蛋白0.54-0.56t，甲、乙酸(按纯酸计)0.20-0.22t，甲醇0.06-0.08t，杂醇油0.004-0.006t，液态二氧化碳0.60-0.64t，木素基生物肥料1.2-1.4t；小麦秸秆按350-400元/t计，其工厂成本(概算)为6000-6500元，燃料乙醇的生产成本(按30％分摊)为1800-2000元/t。产品市场销售价按：燃料乙醇4400-4600元/t，高纯度木素磺酸钠1800-2000元/t，单细胞蛋白5000-5200元/t，甲、乙酸4600-4800元/t，甲醇3200-3400元/t，杂醇油4000-4200元/t，液态二氧化碳780-800元/t，木素基生物肥料1200-1400元/t；其销售收入总计为12200-13000元，每生产1吨燃料乙醇(包括系列产品)可赢利5500-6000元(含税金)。

由于该集成系统采用的是碱性(或中性)亚硫酸钠蒽醌法(ASA)制浆工艺，在蒸煮过程中加入一定量的蒽醌，可以加快脱木素的速度和抑制木素缩合，缩短蒸煮时间，降低蒸煮温度，同时也扩大了原料的使用范围，解决了针叶木长期不能用中性亚硫酸钠生产化学浆的问题。因此，该系统不仅适用于秸秆质纤维原料，而且也适用于木质纤维原料。在林产区，用林业废弃物(木材加工剩余物、枝桠材等)作生物炼制原料，可以取得与秸秆质原料相同的实用效果。

本集成系统称作秸秆质原料主要包括麦、稻、玉米、高粱、棉花、甘蔗等农作物和芦苇、荻、芒、龙须草等野生作物含纤维素较多的秆茎部分。对于麦、稻以外的秸秆质原料均可根据原料自身特性和现有的干法或湿法备料工艺，参照“麦(稻)草全封闭干湿法备料系统”的技术特征，自行设计实用于各种原料的全封闭干湿法备料系统。其基本技术要求是能够最大限度的去除夹杂在原料中的泥沙杂物和过多的叶、节、穗、髓，并将抽提出的低聚糖浓缩液送入蒸煮废液综合利用系统的浓缩酸化工序。

本发明与国内外研发的纤维生物质转化技术相比，明显具有以下有益效果：

1.本发明构建的是一种全量利用纤维生物质的所有组分、将其转化成品系产品的秸秆生物炼制全封闭集成系统，比目前用纤维质原料生产单一产品工艺技术的资源、能源生产率(资源和能源消耗的经济产出)提高4-5倍，从而具有很强的赢利能力，能为企业创造巨大的经济效益。

2.本集成系统的环境管理目标达到了“全封闭生产”的标准。“全封闭”意味着基本上没有污水排放，固形废物排出和有害气体跑逸都很少或者受到严格控制，它标志着传统生物炼制生产(如制浆、酿酒等)对环境的影响得到了彻底根治。

3.本集成系统不仅有利于获得经济效益，而且还有利于造福生态环境，实现了真正的环保型效益。

4.构建本集成系统的基础是秸秆清洁制浆，因此它具有很好的实用性、可操作性和可实施性；适宜以“小型、分散、统分结合和适当规模”的经营模式，大踏步地跨入纤维生物质炼制工业化生产的新时代。

四.附图说明

图1.乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统工艺流程。

图中粗线箭头表示秸秆纤维转化乙醇工艺流程；细线箭头表示转化成其它品系产品及全封闭循环用水的工艺流程。

图2.清洁制浆生产工艺流程。

图中1.密封式切草机，2.水力碎解机，3.沉淀池，4.热水槽，5.斜管沉淀池，6.振框筛，7.除渣器，8.网带洗草机，9.螺旋压榨机，10.微滤器，11.CLB-X型超滤器，12.转子计量器，13.双辊混合器，14.预压螺旋输送器，15.螺旋供料器，16.蒸煮器，17.翼式出料器，18.S-弯管排料阀，19.喷放锅，20.水平带式洗浆机，21.黑液槽，22.废液池，23.文丘里管，24.旋风分离器，25.过滤器，26.表面冷凝器，27.引风机，28.烟囱，29.有机酸贮槽，30.酸化池，31.预水解器，32.热交换器，33.沉淀池，34.深层滤池，35.微孔过滤器，36.CLB-X型超滤器，37.DSZ型电渗析器，38.简易苛化器，39.压力过滤器，40.真空洗渣机。

图3.浆料水解生产工艺流程。

图中1.螺旋输送机，2.转子计量器，3.螺旋供料器，4.酸水解器，5.环形喷液管，6.碎浆刀盘，7.螺旋输泥机，8.翼式出料器，9.S-弯管排料阀，10.螺旋推进器，11.酸化罐，12.转子流量计，13.热交换器，14.高压酸泵，15.中间池，16.泥浆泵，17.酶水解池，18酶液罐，19.多盘真空过滤机，20.除渣器，21.恒温装置。

图4.乙醇发酵生产工艺流程。

图中.1.糖液贮罐，2.糖液泵，3.高位槽，4.计量罐，5.稀释罐，6.中间泵，7.稀释调酸罐，8.稀释器，9.酵母罐，10.酵母繁殖罐，11.发酵罐，12.泡沫捕集器，13.乙醇捕集器，14.曲筛，15.压力泵，16.微滤器。

图5.从成熟醪制取无水乙醇的双效差压蒸馏/蒸气渗透集成工艺流程。

图中.1.再沸器，2.高压醪塔，3.再沸器，4.低压醪塔，5.节流阀，6.冷凝器，7.精馏塔，8.再沸器，9.甲醇分离塔，10.蒸发器，11.蒸气渗透器，12.蒸气压缩机，13-15.热交换器。

图6.戊糖发酵生产Pekilo蛋白工艺流程。

图中.1.中和槽，2.菌种培养罐，3.发酵罐，4.空压机，5灭菌器，6.冷凝器，7.转鼓真空洗滤机，8.压滤机，9.干燥机，10.成品箱。

图7.生物肥料生产工艺流程。

①生物肥料生产工艺流程；②其中菌种生产部分。

五.具体实施方式

图1所示为乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统工艺流程。由备料、蒸煮制浆和蒸煮废液综合利用组成的清洁制浆操作单元中，净化后的秸秆原料首先被分离成纤维素(含半纤维素)浆料、低聚糖、挥发性有机酸(盐)和木素磺酸盐等组分。纤维素浆料经多段逆流洗涤后进入浆料水解单元，抽提黑液中的挥发性有机酸盐和木素磺酸盐在进入浓缩酸化和超滤分离处理工序中被加工成甲酸、乙酸、木素磺酸盐等产品。余下的盐糖混合液经电渗析分离，钠盐液苛化后用于配制蒸煮药液，符合含盐量控制标准的多糖液与纤维素浆料同时进入浆料水解单元。分离成浆的纤维素、半纤维素和蒸煮废液中分离出来的多糖在酸水解和酶水解的相互支持配合下被全部水解成六碳糖和五碳糖，滤除浆渣和钙盐沉淀物后送入乙醇发酵单元。水解糖液中的六碳糖(葡萄糖、甘露糖、半乳糖)在酵母菌(AADY)的作用下转化成乙醇和二氧化碳，经蒸馏、精馏和蒸气渗透制得无水乙醇(燃料乙醇)产品及乙醇酵母、杂醇油、甲醇等副产品。酒糟液滤除糟渣后进入戊糖利用单元，糟液中的五碳糖(木糖、阿拉伯糖)和醛糖、醛酸、甲醇、乙酸、糠醛等有机碳水化合物经Pekilo流程发酵增殖，制得Pekilo蛋白产品。产生的废液，其中2/3滤清后用作清洁制浆单元浆料前4-5段洗涤用水，1/3送入蒸发系统，浓缩至40-45％的有机、无机浓缩物被送至生物肥料生产单元，冷凝水经热交换器预热后用作浆料最后一段热水洗涤用水，从而构成一个能够长期稳定运行的秸秆生物炼制全封闭循环用水系统。秸秆生物炼制生产过程中产生的料渣、浆渣、糟渣、有机和无机矿物质(废液浓缩物)则全部用于生产木素基生物肥料。

在图2中，秸秆(麦、稻草)由输送带送入密封式切草机(1)，被切成20-30mm草片，经喷洗、淋干后进入水力碎解机(2)，草片在剧烈水力作用下得到进一步清洗，并在叶轮与筛板间隙间互相摩擦被撕裂，然后穿过Φ25-35筛板孔眼落到网带洗草机(8)的输送网带上，随网带平行起伏前进通过喷洗区，净化的草片稍作淋干即被送往螺旋压榨机(9)，经压榨至35-45％干度后送入蒸煮制浆工序。草片喷洗废水经出水槽流入振框筛(6)，清除料渣后，进入除砂器(7)，除去泥沙后送至斜管沉淀池(5)，澄清后的稀碱水经热水槽(4)预热至50-60℃再用作水力碎解机用水。通过网带洗草-→草片喷洗-→草片碎解三段循环用水将水溶液中有机物浓度提高到一个允许范围，再从草片脱水处连续不断地提取定量废水，清除屑渣、泥沙后，经微滤器(10)进入CLB-X型超滤器(11)，经超滤分离装置将低聚糖类有机物浓缩至10-15％浓度后送至废液池(22)，透过液用作压力过滤器(39)的洗渣水，苛化后同苛化工序中的滤渣洗涤水一起返回，以组成网带洗草机的喷洗用水，从而构成一个能够长期稳定运行的备料循环用水系统。

净化草片通过转子计量器(12)落入双辊混合器(13)，在双辊混合器内与预热到80-90℃的蒸煮药液充分混合，再经预压螺旋输送器(14)压出多余药液，通过预压螺旋内设筛板返回药液贮槽；与药液充分混合的草片又通过螺旋供料器(15)并在供料器末端形成“草塞”，再落入蒸煮器(16)内；与此同时，由螺旋供料器挤出的多余药液，从蒸煮器顶部药液口压入，在强烈搅拌下与落入蒸煮器的“草塞”形成液比1∶2.8-3.0的混合草料液进入第一根蒸煮管，在蒸煮管内设螺旋推进器作用下，从第二根蒸煮管排出，通过翼式出料器(17)和弯管排料阀(18)，送至喷放锅(19)。在亚硫酸钠16％、氢氧化钠4％、蒽醌0.1％(与风干草料质量分数)，蒸气压力650-700Mpa、蒸煮温度165-170℃，蒸煮时间20-25min的工艺条件下，可以获得高锰酸钾值12-15，即脱除木质素总量90％以上的纤维素粗浆料500-520kg/t风干麦草。

浆泵从喷放锅底部抽取浆料送到水平带式洗浆机(20)的调浆箱后，被循环废液稀释成3-4％浓度，在流浆箱上浆，随滤网水平前进，在滤网上形成厚簿均匀的浆层，经过第一个真空箱吸滤后，再经过4-5段真空逆流抽吸洗涤，最后一段是热水洗涤，洗涤后的浆料经集浆槽送至浆料水解单元，抽提黑液由黑液槽(21)送至废液池(22)，经由文丘里管(23)、旋风分离器(24)、过滤器(25)、表面冷凝器(26)、引风机(27)和烟囱(28)组成的蒸发分离组合装置浓缩酸化，由8-9m³浓缩到6-7m³/t风干浆，同时在锅炉烟气中CO₂、SO₂和SO₃等酸性气体作用下，将溶入废液的挥发性有机酸置换出来，在进入表面冷却器后凝结成有机酸水溶液流入有机酸贮槽(29)，经进一步分离浓缩制得甲酸、乙酸等产品。浓缩酸化后的废液送入酸化池(30)，加稀硫酸调整pH值1-1.5，送入预水解器(31)，处理温度125-130℃，时间20min，使大分子的低聚糖水解成分子量低于2000的多糖，经热交换器(32)冷却85-90℃后流入沉淀池(33)，用石灰乳调整pH值5.5-6.5，澄清液泵入深层过滤池(34)，再经微孔过滤器(35)过滤后用压力水泵在压力0.8Mpa、温度70-80℃下泵入由CLB-X型超滤器(36)组成的一级四段加水净化的超滤装置进液口，得到浓度20％高纯度木素磺酸钠溶液，经进一步浓缩、干燥制得95％以上的固态产品。从超滤装置流出的透过液送入电渗析器(37)流出的符合含盐量控制标准的多糖液与纤维素浆料同时进入浆料水解单元，钠盐液送入简易苛化池(38)，苛化后泵入压力过滤器(39)，滤液即NaOH溶液重新用于配制蒸煮药液，沉积在滤层上的白泥被反冲洗渣水送到真空洗渣机(40)过滤、洗涤，洗液送至备料系统，组成网带洗草机的喷洗用水，白泥可作其它综合利用或填埋。

在图3中，纤维浆料由螺旋输送机(1)挤出多余热水，通过转子计量器(2)定量供料进入螺旋送料器(3)，并在送料器末端形成“浆塞”，再落入酸水解器(4)的碎浆刀盘(6)上；与之同时，多糖液在.酸化罐(11)中加入H₂SO₄..1-1.5％、H₂SO₃ 0.4-0.6％(与风干浆料质量分数)、搅拌均匀后经转子流量计(12)进入热交换器(13)预热至85-95℃，由高压酸泵(14)从酸水解器上部环形喷液管(5)定量射向落下的“浆塞”料上，在高速旋转的碎浆刀盘作用下迅速混合成15-20％的粗浆料。在温度135-140℃下，浆料随水解器内设螺旋输泥机(7)的旋转缓慢下沉，经25-35min后由水解器底部的翼式出料器(8)和S-弯管排料阀(9)进入螺旋推进器(10)，经热交换器(13)冷却至90-95℃流入中间池(15)。呈泥浆状的酸水解浆料冷却至55-60℃，加入石灰乳液将其pH调整到5后，用泥浆泵(16)送入酶水解池(17)。在搅拌和由恒温装置(21)控制在恒温50℃条件下，由酶液罐(18)流加相当于纤维素酶10-12FPU/g对底物的里氏木霉的粗发酵液(约50-60L/t风干纤维素)和β-葡萄苷酶(纤维素酶实际用量的0.4-0.6％)。随着酶水解反应的进行，料液的黏度逐渐下降，经4-5天待糖转化率达92-96％即可终止。用石灰乳液将糖液pH调到7.5-8.0，经盘式过滤机(19)除去浆渣并在连续除渣器(20)中排除钙盐沉淀物后送往乙醇发酵单元。

在图4中，糖液贮罐(1)中经蒸气吹除SO₂、乙酸的水解糖液用糖液泵(2)泵入高位槽(3)，通过计量罐(4)定量进入稀释罐(5)。用水和蒸气将糖液稀释成浓度4-6％(己糖与水的质量分数)、温度32-34℃后，由中间泵(6)泵入稀释调酸罐(7)，用质量分数2∶1的硫酸与盐酸混合酸液将糖液pH值调整到3.8-4.0，并加入适量营养盐(硫酸铵、磷酸)，经稀释器(8)进一步调准浓度、温度为30-32℃的稀糖液与酵母罐(9)中的成熟酵母醪同时进入第一个发酵罐(亦称酵母繁殖罐10)，酵母繁殖与发酵同时进行，产生足够数量酵母细胞的发酵醪。前一个发酵罐(11)满罐后、依次进入下一罐(通常由6-8个发酵罐组成)，发酵液于28-32℃下在连续流动中经30-35h发酵成熟。成熟醪先经曲筛(14)一级分离，除去纤维、醪渣等杂质，再用压力泵(15)在压力0.05Mpa下泵入膜孔径0.8-1.5μm板框式微滤器(16)，分离出来的酵母乳送返酵母罐(9)，活化后重新投入使用，滤清的醪液进入蒸馏工序。在糖液发酵(包括发酵罐和酵母罐)过程中产生的泡沫通过泡沫捕集器(12)，送入最后一只发酵罐，乙醇捕集器(13)中的淡酒送入精馏塔，收集的二氧化碳和多余的乙醇酵母将被做成系列产品。

在图5中，醪液经热交换器(13)、(14)、(15)预热后分别进入高压醪塔(2)和低压醪塔(4)，高压醪塔用生蒸汽作为塔底再沸器(1)的加热介质，其塔顶蒸气作为低压醪塔塔底再沸器(3)的加热介质，经节流阀(5)与低压塔塔顶乙醇水蒸气一起进入精馏塔(7)。从精馏塔塔顶馏出的醛、酯经冷凝器(6)冷凝成醛酒被送返发酵罐中，乙醇蒸气进入甲醇分离塔(9)，甲醇由塔顶流出，含量为94.5-96％的工业乙醇，进入蒸发器(10)，蒸发成0.22Mpa、100℃饱和蒸气后，进入第一个蒸气渗透器(11)，在最大负荷条件下，蒸气压力降为0.05Mpa，相应的温度降为5℃，用蒸气压缩机(12)压缩成100℃饱和蒸气后进入第二个蒸气渗透器，第二蒸气渗透器出来的蒸气又经压缩进入第三个，从第三个蒸气渗透器出来的渗余气在热交换器(13)中冷凝成液体，即为无水乙醇(燃料乙醇)产品。渗透气经节流阀(5)送返精馏塔，以回收其中残余的乙醇。从高压醪塔和低压醪塔塔底流出的糟液经热交换器冷却后被送至戊糖利用单元。

在图6中，滤除糟渣的糟液进入中和槽(1)，调整温度28-30℃和浓度8-10％(总碳水化合物与水的质量分数)，用NH₄OH将糟液pH值调到4.5、并当作营养盐，再加入KCL和Na₃PO₄营养成分；从菌种培养罐(2)中接入拟青霉，然后送入无菌密闭发酵罐(3)中。由空气压缩机(4)经灭菌器(5)向发酵罐内连续通入经过灭菌处理的压缩空气，以促进菌株增殖，发酵热由发酵罐内的冷凝器(6)移出，发酵液在罐内停留4-5h。发酵后的发酵液连续从发酵罐取出，用转鼓过滤机(7)分离菌体、洗涤和脱水，然后用压滤机(8)进一步脱水至干物质30％以上，最后在干燥机(9)中干燥到90％干度，Pekilo蛋白产品由成品箱(10)运出。产生的废液(含过滤机的少量洗涤水)，其中2/3经滤清后直接用于清洁制浆单元的浆料前4-5段逆流洗涤用水；余下的1/3送入废液蒸发工序，经蒸发浓缩至40-45％(有机、无机固形物)后，作为木素基生物肥料生产的粘合剂和矿物质添加剂被送往系统的第五操作单元，冷凝水，经预热后用作清洁制浆单元浆料洗涤最后一段的热水洗涤用水，从而构成一个能够长期稳定运行的秸杆生物炼制全封闭循环用水系统。

在图7、①中，生物肥料生产是将洗净、风干的料渣、浆渣、糟渣混合后用粉碎机粉碎，经振框筛筛分出来的60-80目营养富集粉在基料混合机中首先与菌种剂均匀混合，再与作物必须的中微量元素和特效添加物质混合、制得基料载体配料；然后在搅拌机中与筛分后的渣料和有机、无机浓缩物复配，经造粒机(挤压造粒、圆盘造粒或转鼓造粒机)造粒成型和低温干燥机烘干后，制得按企业标准生产(参照农业部的行业标准NY227-94)的多种剂型专用生物肥料产品。生产中所用的菌种剂由农业科研机构提供的生物活性菌种按图7、②所示的菌种扩培、生产工艺流程制得，为确保产品质量达到标准要求，应建立标准化验室，切实加强质量监督、检测工作。

Claims (5)

1.一种乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统，包括操作单元：

清洁制浆单元；秸杆在备料系统中被切断、撕裂成20-30mm长的草片，经连续喷洗净化、压榨至35-40％干度后进入蒸煮制浆系统，产生的废液经超滤分离装置将低聚糖类有机物浓缩至10-15％浓度后送至废液综合利用系统；进入连蒸器的净化草片在Na₂SO₃16％、NaOH4％、蒽醌0.1％、液比1：2.8-3.0、蒸气压力650-700千帕、蒸煮温度165-170℃、蒸煮时间20-25min的工艺条件下，制得高锰酸钾值12-15、即脱除木质素总量90％以上的纤维素粗浆料，经5-6段逆流洗涤后送至浆料水解单元、抽提的黑液进入废液综合利用系统；黑液连同备料系统送来的浓废液经文丘里蒸发分离组合装置浓缩酸化，由8-9m³浓缩至6-7m³/t风干浆、同时制得甲酸、乙酸产品，浓缩酸化后的废液加酸调整pH值1-1.5进入预水解器，处理温度125-130℃、时间20min，使大分子的低聚糖水解成分子量低于2000的多糖，用石灰乳将水解液pH值调至5.5-6.5，在温度70-80℃、压力0.8Mpa下经一级四段加水净化超滤分离得到浓度20％的高纯度木素磺酸钠溶液、进一步浓缩干燥后制得含量95％以上的固态产品，从超滤装置流出的透过液经电渗析分离，钠盐液苛化后重新用于配制蒸煮药液，符合含盐量控制标准的多糖液与纤维素粗浆料同时进入浆料水解单元；

浆料水解单元；经最后一段热水洗涤的粗浆料由螺旋输送机挤出多余热水，通过转子计量器定量供料进入螺旋送料器、并在送料器末端形成“浆塞”再落入酸水解器的碎浆刀盘上；与之同时、多糖液在加入H₂SO₄1-1.5％、H₂SO₃0.4-0.6％、搅拌均匀后经热交换器预热至85-95℃，用高压酸泵经转子流量计从酸水解器上部环形喷液管定量射向落下的“浆塞”料上，在高速旋转的碎浆刀盘作用下迅速混合成15-20％的浆料液，在温度135-140℃下，随酸水解器内设螺旋输泥机的转动缓慢下沉，经25-35min后由水解器底部的翼式出料器和S-弯管排料阀进入螺旋推进器，经热交换器冷却至90-95℃流入中间池，自然冷却至55-60℃，用石灰乳液将其pH调到5后由泥浆泵送入酶水解池；在搅拌和恒温50℃条件下加入纤维素酶10-12FPU/g对底物的里氏木霉粗发酵液和纤维素酶实际用量0.4-0.6％的β-葡萄苷酶，经4-5天、待糖转化率达92-96％时用石灰乳液将糖液pH调至7.5-8.0，经盘式过滤机除去浆渣并在连续除渣器中排除钙盐沉淀物后送往乙醇发酵单元；

乙醇发酵单元；经蒸气吹除SO₂、乙酸的水解糖液由热交换器冷却至32℃后泵入高位槽，经稀释和加入质量分数为2：1的硫酸与盐酸混合酸液调整成4-6％浓度、pH值3.8-4.0、加入适量营养盐，温度为30-32℃的稀糖液与成熟酵母醪同时进入第一个发酵罐，酵母繁殖与发酵同时进行、产生足够数量酵母细胞的发酵醪，前一个发酵罐满罐后、依次进入下一罐，发酵液于28-32℃下在连续流动中发酵成熟，成熟醪先经曲筛一级分离，除去纤维、醪渣，在压力0.05Mpa下泵入膜孔径0.8-1.5μm板框式微滤器，分离出来的酵母乳送返酵母罐，活化后重新投入使用，再经双效差压蒸馏/蒸气渗透集成工艺流程，制得含量99.5％以上的无水乙醇，乙醇发酵生产过程中产生的副产物同时被处理加工成甲醇、杂醇油、食品酵母、干冰和液态二氧化碳产品；

戊糖利用单元；首选工艺是发酵生产单细胞蛋白，由醪塔出来的糟液滤除糟渣后，经热交换器冷却至50-60℃，送入中和槽，将废液调节至28-30℃和浓度8-10％，用NH₄OH溶液调整pH值4.5、并当作营养盐，再加入KCL和Na₃PO₄营养成分，从菌种培养罐接入丝状真菌-拟青霉，然后送入无菌搅拌密闭发酵罐，连续向发酵罐通入经过灭菌处理的压缩空气、经4-5h发酵后的发酵液连续从发酵罐中取出，用转鼓真空过滤机分离菌体、洗涤和脱水，然后用压滤机进一步脱水至干物质30％以上，最后经干燥机干燥到90％干度、制得具有纤维结构的单细胞蛋白产品；

生物肥料生产单元；根据土地实际使用情况将具有一定功能的微生物和它的有效代谢产物用基质载体-秸秆生物炼制后的残渣粉碎后筛分出来的营养富集部分吸附后，再与粉碎的残渣、作物必须的中微量元素、有机和无机浓缩物复配造粒成型。

2.根据权利要求1所述的乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统，其特征在于，清洁制浆单元中备料系统产生的喷洗废水，通过三段循环用水将水溶液中有机物浓度提高到一个允许范围内，再从草片水力碎解脱水处连续不断提取定量废水，经超滤分离装置将低聚糖类有机物浓缩至10-15％浓度后送至废液综合利用系统的浓缩酸化工序，透过液送至综合利用的苛化工序，苛化后连同滤渣洗涤水一起返回，以组成网带洗涤机用水；戊糖发酵产生的废水，其中2/3经压滤、澄清后用于清洁制浆单元的浆料前4-5段逆流洗涤用水，废水中的木素磺酸钠在进入废液综合利用系统的超滤分离工序后被回收；余下的1/3进入废液蒸发系统，经蒸发浓缩至40-45％浓度后用作生物肥料生产的粘合剂和矿物质添加剂，冷凝水经预热后用作浆料洗涤最后一段的热水洗涤用水，从而构成一个能够长期稳定运行的秸杆生物炼制全封闭循环用水系统。

3.根据权利要求1所述的乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统，其特征在于，乙醇发酵单元选用其它合适菌种可以将糖液中的六碳糖转化成乳酸、丁酸、丙酮、丁醇系列化工产品，获得与乙醇发酵生产相似的经济效益。

4.根据权利要求1所述的乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统，其特征在于，戊糖利用单元的酒糟液还可以用于生产糠醛及其衍生物糠醇、四氢呋喃、乙酰丙酸，分出部分糟液用于生产糠醛，然后将生产糠醛后产生的废液与余下的糟液一起发酵生产单细胞蛋白，可以取得与戊糖发酵生产相同的经济效益和环境效益。

5.根据权利要求1所述的乙醇导向秸秆生物炼制全封闭集成系统，其特征在于，用林业废弃物、木材加工剩余物、枝桠材取代秸杆质原料，可以取得相同的实用效果。

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