CN101580794B - 生物质发酵-分离耦合装置及制备乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物质发酵-分离耦合装置及制备乙醇的方法，装置包括生物质发酵罐，在发酵罐的液面下设置超声波雾化器，设置收集发酵罐液面上产生的雾化物得到乙醇溶液的雾化物捕集器，设置收集到的乙醇溶液进一步提浓回收的装置。本发明制备乙醇的方法使用该装置，以生物质为原料，采用发酵法生产乙醇。本发明装置和方法在发酵的同时将乙醇分离，可以降低乙醇对发酵过程的影响，乙醇分离方法效率高，能耗低，对发酵过程无明显影响，可以提高以纤维素为原料生产乙醇工艺的经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物质发酵-分离耦合装置及制备乙醇的方法，特别是涉及一种以纤维素水解后产物的发酵-分离耦合装置，以及使用该装置生产乙醇的方法。
背景技术
生物质泛指所有的以植物为来源的含碳有机物质，植物接受太阳提供的光和热，通过光合作用将空气中的二氧化碳转化为含碳有机物物质，同时将部分能量贮存下来。据估算，将每年植物以碳水化合物形式贮存下来的能量折算为电能，可达人均50万kWh，是目前世界年人均能耗的420倍。作为开发利用研究对象的生物质，一般指农业和林业废料，如秸秆、蔗渣、稻糠、木屑等。生物质以其可再生、产量巨大、可储存、碳循环等优点而引人注目，并且在多种清洁后续能源中，唯一可转化为液体燃料，与化石燃料具有很大的兼容性。因此，以高技术开发和利用生物质制备液体燃料，日益引起世界各国的重视。
生物质可大体分为糖质原料、淀粉质原料和纤维素原料。糖质原料、淀粉质原料制取燃料酒精的技术已很成熟。巴西用甘蔗直接生产燃料酒精，1989年产量已达10375万立方米。美国每年用玉米生产燃料酒精的产量也很大。但从总体看，依靠糖蜜、粮食淀粉原料解决用量很大的燃料问题显然是不现实的，特别是对于人口压力较大的国家和地区更是如此。美国《工业酶学》认为：“如果乙醇工业要生存，就必须利用木质纤维素生产”。利用葡萄糖直接发酵制备乙醇是粮食发酵工业一个比较成熟的工艺，而在纤维素发酵制备乙醇过程中，套用该工艺是纤维素发酵乙醇至今未能走出技术经济关。纤维素发酵制备乙醇的主要过程包括预处理、水解、发酵、提浓等步骤，具有生产流程长、能耗高、废水多等不足，影响工业应用的经济性。
将传统工艺的某些步骤结合在一个步骤中进行，是缩短工艺流程，降低能耗的重要方法。如可以将纤维素的糖化和发酵组合为一个步骤，如CN1505682A等所述，还可以将酶解、发酵和分离过程组合在一个步骤进行，如CN2570289Y所述的纤维素固相酶解-液体发酵耦合制备乙醇的装置，在发酵的同时，采用吸附柱将生成的乙醇吸附分离，然后将吸附柱再生得到乙醇产品。上述方法虽然在传统工艺上有所改进，但以纤维素为原料生产乙醇技术的经济性仍需进一步提高，以提高产品的市场竞争力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维素水解糖进行发酵-分离的装置，以及使用该装置生产乙醇的方法，本发明方法在发酵的同时将乙醇分离，可以降低乙醇对发酵过程的影响，乙醇分离方法效率高，能耗低，对发酵过程无明显影响，可以提高以纤维素为原料生产乙醇工艺的经济性。
本发明生物质发酵-分离耦合装置包括生物质发酵罐，在发酵罐的液面下设置超声波雾化器，设置收集发酵罐液面上产生的雾化物得到乙醇溶液的雾化物捕集器，设置收集到的乙醇溶液进一步提浓回收的装置。
设置超滤装置，收集到的乙醇溶液在进入提浓回收装置之前先通过超滤装置，超滤的目的在于回收雾化物中的少量水解糖和发酵菌体，使用截留分子量为50-170的超滤膜即可，设置截留液循环回发酵罐的管路，减少水解糖和发酵菌体的损失。超滤装置的滤出液为乙醇溶液，进一步提浓回收装置可以是超声波雾化提浓装置，也可以是常规的蒸馏提浓装置、吸附提浓装置等。其中超声波雾化提浓装置可以根据所需产品浓度的要求设置至少一级，超声波雾化提浓装置在结构和原理上与设置超声波雾化器的发酵罐相同，在超声波雾化提浓装置内液面以下设置超声波雾化器，雾化物提浓装置雾化物捕集器捕集的液相为浓度提高的乙醇溶液。
雾化物捕集器为具有将雾化物捕集为液相物料结构的设备，如丝网结构、填料结构、板式结构、管式结构、翅片结构等，可以静止的设备，也可以是旋转的设备。雾化物捕集器优选同时带有冷却结构，冷却结构内部通冷却剂，工作时冷却剂降低雾化物捕集器的温度，提高捕集回收效果，冷却温度可以为0～20℃。
雾化物捕集器或带有冷却结构的雾化物捕集器是本领域技术人员所熟知的技术内容，可以根据需要进行设计。雾化物捕集器可以设置在发酵罐外部，也可以设置在发酵罐内液面以上的空间中。雾化物捕集器设置在发酵罐外部时，在发酵罐液面以上位置设置雾化物排出口，在发酵罐内雾化物排出口相对的位置设置气相输送装置，如风扇等。雾化物排出口与雾化物捕集器相连通，雾化物捕集器排出的液相进入进一步处理装置，设置雾化物捕集器排出气相循环至发酵罐的管路，在循环管路上最好设置气相输送动力装置，如循环风机、鼓风机等。或者设置雾化物捕集器排出气相吸附装置，采用吸附的方法回收其中的乙醇，吸附使用常规的吸附剂，如分子筛吸附剂等，吸附饱和后再生得到乙醇。
雾化物捕集器设置在发酵罐内部时，在雾化物捕集器的上面、下面或侧面设置气相输送动机设备，如风扇，优选设置在雾化物捕集器的上面或侧面，同时设置雾化物捕集器液相物料排出发酵罐的管路。
超声波雾化器设置在发酵罐液面以下，一般距液面1～10cm即可，可以设置发酵罐液面控制器或超声波雾化器位置确定结构，如超声波雾化器与浮子固定，超声波雾化器位置可以随液位波动而相应变化。超声波雾化器为高频超声波，频率一般为1～10MHz，超声波雾化器的数量和功率可以根据装置规模和所需的操作时间等计算或实验确定，如装置规模大，要求分离时间短，则需要的超声波雾化器数量和功率可以增加，反之则减少。
本发明制备乙醇的方法，采用生物质原料发酵方法制备乙醇，使用上述发酵-分离耦合装置，将发酵原料放入发酵罐中，加入发酵菌体，在发酵制备乙醇的条件下进行发酵处理，当发酵液中乙醇体积浓度达到2％～8％优选3％～6％时，启动超声波雾化器，从雾化物中回收乙醇溶液。
本发明制备乙醇的方法中，发酵原料可以是来自各种适宜的生物质原料，优选成本低廉、来源广泛的纤维水解糖，结合本领域现有技术，也可以将纤维水解也结合到本发明的发酵-分离过程中，即纤维素水解、纤维素水解糖发酵、发酵得到乙醇的分离同时在本发明所述的装置中进行。本发明制备乙醇的方法可以根据需要采用连续操作方式或间歇操作方式。生物质的发酵条件是本领域技术人员熟知的技术内容。
本发明生物质发酵-分离耦合装置及使用该装置制备乙醇的方法中，利用超声波雾化时，进入雾化物中乙醇浓度高于液相中浓度的原理，将生物质的发酵和发酵产物乙醇的分离两个过程耦合在一个装置中进行，还可以结合现有技术将纤维素水解过程进一步耦合，有效缩短了工艺流程，同时降低了发酵液中发酵产物乙醇的浓度，减小了发酵产物对酵母菌的抑制，使有的分离方法分离效率高，操作能耗低，提高了该工艺技术的经济性。发酵过程是在酵母菌作用下进行的，研究发现，高频超声波对酵母菌的活性没有明显影响，本发明装置和方法不影响发酵的正常进行。
附图说明
图1为本发明装置一种具体结构示意图，其中雾化物捕集器设置在发酵罐外部。
图2为本发明装置中发酵罐内部设置雾化物捕集器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，具体说明一种本发明装置的详细构成和操作方法。
在具体实施方案中，将纤维素水解糖发酵—乙醇超声提浓耦合制备乙醇结合在一起，在水解糖发酵装置内外分别配备乙醇超声波分离和超声波提浓单元。如图1所示，发酵罐1、纤维素水解糖发酵液2、进料口3、发酵超声波雾化器4、提浓超声波雾化器11、发酵雾化物捕集冷凝器5、提浓雾化物捕集冷凝器12、发酵气体循环机6、提浓气体循环机13、发酵风扇7、提浓风扇14、超滤机8、超滤膜9、提浓超声雾化室10、循环泵15、乙醇溶液16。
在超声波分离和超声波提浓元中分别包括：超声波雾化器、风扇、雾化物捕集冷凝器、气体循环机四个主要部分，并且这几个部分通过管线形成一个气体封闭循环线路。
本发明一种具体生产乙醇的方法如下：
1、向上述发酵装置中加入无菌纤维素水解糖并接种酵母菌，在30℃下培养12-48小时。
2、当发酵液中乙醇的体积比浓度达到3％～6％时，开启发酵罐中的超声波分离单元，雾化物经雾化物捕集冷凝器5冷凝捕集，未冷凝捕集的气体在发酵气体循环机6和发酵风扇7的共同作用下循环回发酵罐，冷凝捕集液进入超滤机进行膜分离，透过液可进入下一级超声提浓单元，截留液泵回发酵罐1。超滤使用的是截留分子量100的超滤膜。
3、透过液储存到可供雾化时，开启超声波提浓单元，收集的冷凝液可再进入下一个超声波提浓单元直到乙醇浓度达到要求为止，也可以使用常规分离方法进一步提浓。经提浓处理后液体乙醇的体积比浓度降至3％～6％时，移至发酵罐中或发酵罐之前的工序如冲洗酶解物中使用。
4、当发酵液中乙醇体积浓度低于3％时，可以关闭超声提浓单元。
所述步骤还包括当发酵液中糖的体积百分比浓度低于6％～8％时，向发酵罐中连续或间歇补加纤维素水解糖等发酵生物质原料。
下面结合实施例进一步描述本发明方法。
实施例
本实施例制备乙醇步骤如下：
1、向发酵罐1中加入无菌纤维素水解糖并接种酿酒用酵母菌，在30℃下培养48小时。超声雾化器保持距液面2.5厘米。
2、当发酵液中乙醇的体积比浓度达到5％时，开启发酵罐中的超声提浓单元，雾化物经捕集冷凝器5冷凝捕集，未捕集到的气体在发酵气体循环机6和发酵风扇7的共同作用下循环回发酵罐1，冷凝液进入超滤机8进行膜分离，透过液乙醇体积比浓度为8％～10％左右，可进入超声波提浓单元，截留液经泵15循环回发酵罐1。超滤机使用的是截留分子量100的超滤膜。雾化物捕集冷凝器使用干冰冷阱冷却至10℃。
3、超滤机透过液储存到超过可供雾化量时，开启超声波提浓单元，收集到乙醇体积百分比浓度为12％～20％的冷凝液可再进入下一个超声波提浓单元提浓或其它提浓设备，直到乙醇浓度达到要求为止。当此超声波提浓单元中的待雾化液体中乙醇浓度降至6％时，将其转移至发酵罐中。
4、当发酵液中乙醇体积浓度低于3％时，关闭超声提浓单元。
所述步骤还包括当发酵液中糖的体积百分比浓度低于8％时，向发酵罐中连续或间歇补加纤维素水解糖等发酵原料。
发酵罐和提浓单元使用的超声波频率为1.8MHz，功率约为每升液体物料4W。
Claims (17)
1.一种生物质发酵-分离耦合装置，包括生物质发酵罐，其特征在于：在发酵罐的液面下设置超声波雾化器，设置收集发酵罐液面上产生的雾化物得到乙醇溶液的雾化物捕集器，设置收集到的乙醇溶液进一步提浓回收的装置。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：设置超滤装置，收集到的乙醇溶液在进入提浓回收装置之前先通过超滤装置。
3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于：所述超滤装置使用可以截留分子量为50-170的超滤膜。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于：设置截留液循环回发酵罐的管路。
5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：乙醇溶液进一步提浓回收装置为超声波雾化提浓装置，蒸馏提浓装置或吸附提浓装置。
6.按照权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的超声波雾化提浓装置至少设置一级，在超声波雾化提浓装置内液面以下设置超声波雾化器，雾化物提浓装置的雾化物捕集器捕集的液相为浓度提高的乙醇溶液。
7.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：雾化物捕集器为具有将雾化物捕集为液相物料结构的设备，包括丝网结构、填料结构、板式结构、管式结构或翅片结构，为静止的设备或者是旋转的设备。
8.按照权利要求1或7所述的装置，其特征在于：所述的雾化物捕集器同时带有冷却结构，冷却结构内部通冷却剂，工作时冷却剂降低雾化物捕集器的温度，冷却温度为0～20℃。
9.按照权利要求1或7所述的装置，其特征在于：所述的雾化物捕集器设置在发酵罐外部，在发酵罐液面以上位置设置雾化物排出口，在发酵罐内雾化物排出口相对的位置设置气相输送装置，雾化物排出口与雾化物捕集器相连通，雾化物捕集器排出的液相进入进一步处理装置，设置雾化物捕集器排出气相循环至发酵罐的管路或者设置雾化物捕集器排出气相吸附装置。
10.按照权利要求1或7所述的装置，其特征在于：雾化物捕集器设置在发酵罐内液面以上的空间中，在雾化物捕集器的上面、下面或侧面设置气相输送动机设备，设置雾化物捕集器液相物料排出发酵罐的管路。
11.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：超声波雾化器设置在发酵罐液面以下，距液面1～10cm。
12.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：设置发酵罐液面控制器或超声波雾化器位置确定结构。
13.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：超声波雾化器为高频超声波，频率为1～10MHz。
14.一种制备乙醇的方法，采用生物质发酵方法制备乙醇，其特征在于：使用权利要求1至13任一权利要求所述的发酵-分离耦合装置。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于：制备乙醇的过程包括将发酵原料放入发酵罐中，加入发酵菌体，在发酵制备乙醇的条件下进行发酵处理，当发酵液中乙醇体积浓度达到2％～8％，启动超声波雾化器，从雾化物中回收乙醇溶液。
16.按照权利要求14所述的方法，其特征在于：所述的发酵原料来自纤维水解糖。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于：将纤维水解结合到发酵-分离过程中，即纤维素水解、纤维素水解糖发酵、发酵得到乙醇的分离同时在所述的发酵-分离耦合装置中进行。
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