CN101633940A - 连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法及设备，本发明的方法包括：利用螺旋输送器实现连续进、出料；采用气提固态发酵，在线分离出发酵产物；热泵与气提耦合分离得到发酵产物；吸附系统回收排出气体中夹带的发酵产物。本发明的优点是实现了固态发酵的连续生产；气提发酵减除产物抑制，并改善系统传质、传热；发酵、气提和热泵构成热量闭合循环体系，系统能耗低；系统用水量少、无污染，实现了清洁生产，具有广泛的适应性与推广意义。

Description

连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法及设备
技术领域
本发明属于固态发酵领域，特别涉及一种连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法及设备。
背景技术
固态发酵是一种在没有或者几乎没有游离水的条件的发酵过程。人类很早就把固态发酵的技术应用于食品的生产，而且几乎所有的古代发酵产品都是使用固态发酵技术生产的。与液态发酵相比，固态发酵的优势在于能耗低，污染少，并且环境友好，但传统固态发酵生产过程的不可连续性和难以实现对过程传质、传热的有效控制，形成了固态发酵大规模产业化生产应用的制约因素。近年来，随着发酵过程在生态产业中的凸显核心位置，特别是生物质转化生物燃料的生产过程，如甜高梁、木薯固态发酵生产乙醇、丁醇等生物燃料的生产过程，都表现出对连续、节能、节水可实现对过程有效控制的固态发酵新技术的迫切需求。
对固态发酵的应用研究其核心是现代工艺科学技术在以生物反应器为主的生产过程中的集成应用和研究。要解决的核心问题是固态发酵的连续生产和对工艺过程传质、传热的有效控制，实现低成本、低能耗、高效率、高回报的环境友好型生产工艺新技术体系的形成。传统的固态发酵不是纯种培养，其发酵过程是在开放的发酵池中进行的。随着科学技术的进步，现在固态发酵反应器已经从传统的发酵池等开放容器中的发酵走向了密闭容器和纯种(或者限定菌种的混菌)发酵。目前各类固态发酵反应器共有的问题主要是：
1.发酵分批进行，操作繁多，生产不连续，生产效率低。固态发酵使用的是固态基质而非流体，这样不仅装料卸料劳动强度大，而且难以实现连续发酵。如果能够实现发酵和进出料连续进行将大大提高发酵的生产效率。Morteza Khanahmadi等建立了简单的数学模型讨论了平推流全混流两种模式连续固态发酵，但是真正能够同时实现纯种发酵和连续固态发酵的反应器还没有报道。
2.缺乏有效的过程集成和耦合系统。发酵工程不仅仅是单纯的生物反应过程，放大的实现同时依靠过程的强化和产物的分离等操作。固态发酵相比液态发酵本来就存在劳动强度相对较大的不足，分散的工序和操作因此成为固态发酵放大的障碍。如果能将发酵过程与分离过程有机的结合起来，开发出发酵分离耦合的发酵反应器就可以通过系统集成减少中间还节，节能、节水提高生产效率。
以气提的方式解决发酵底物和生成物对发酵过程的抑制——提高发酵生产速率，早在上世纪80年代，国内外就有了较系统的基础研究。其中美国的Same-jima(1984)和Hanai(1986)进行的中试规模形成了半工业化规模的生产工艺装置。目前国内对气提发酵、分离的研究还局限在实验室和相关文献发表的层面上，但以气提发酵分离的方式解决发酵底物和生成物对发酵过程的抑制问题是提高发酵生产速率的有效途径已是学术和产业界的共识。只是气提发酵分离因载气在操作状态下的气相不凝结性，使得液态发酵和蒸馏分离工艺不能适应气提发酵分离的工艺过程操作，因此形成了气提发酵大规模产业化应用的技术和经济性的客观制约因素。
热泵技术在工业化生产实践中的应用具有代表性的首先是美国上世纪50年代形成的热泵干燥体系和日本上世纪90年代对热泵干燥技术的推广和应用。目前在我国对热泵的研究开发主体方向集中表现在对人的生活和活动空间的节能制冷和制热领域，热泵干燥的研发也已形成了较系统的基础技术体系；热泵在工业生产实践中应用存在的主要问题是通过热泵系统回收的能量虽然实现了能量的高效回收，但因回收后的能量能级较低(一般热泵回收后的能量可供热温度为70℃以下)不能适应一般工业生产对热的温度要求。
针对以上情况，本发明提出了全新的热泵推动连续固态发酵与产物分离耦合思路：将热泵引入连续固态发酵保温、保湿及发酵产物气提、冷凝分离系统，实现连续固态发酵条件的稳定控制和发酵产物的有效分离；使用多级螺旋输送器加料、卸料同时保证系统密封，使固态发酵能够连续进行同时又保证了发酵罐的微氧发酵状态。
发明内容
【本发明的目的】本发明的目的是针对现有的固态发酵方法和设备无法实现连续进、出料，并且产物分离能耗高的问题，提供一种连续固态发酵和产物在线分离的方法及设备，利用螺旋输送器实现固态发酵的连续进、出料，并保证系统密封，不易染菌；将固态发酵与气提结合，解决固态发酵传热、传质的控制问题，实现恒温发酵，并实现发酵产物在线分离，减除发酵产物反馈抑制；采用气提热泵耦合分离，利用热泵节能优点，并回收发酵产生的热量用于产物的气提分离，降低系统能耗，同时发酵过程用水量少、生产成本低、无污染，实现固态发酵的清洁生产。
【本发明的技术路线】
为使固态发酵能够连续进行同时又使空气不能进入发酵罐从而保证了发酵罐的微氧发酵状态，装置拟采用3级螺旋输送器加料，且在第二级螺旋输送器在物料输送的同时耦合了接种、补加营养盐、调整pH；为实现连续固态发酵条件的稳定控制和发酵产物的有效分离，将热泵引入连续固态发酵保温、保湿及发酵产物气提、冷凝分离系统，以发酵热为主要热源，由两个耦合的热泵系统形成一个独立循环的闭合能量循环体系，过程中以循环气体为载体实现了发酵和分离传质与传热的耦合。
本发明的技术路线图如附图1所示。
【本发明的技术方案】
本发明的技术方案如下：
本发明提供的连续固态发酵和气提、热泵耦合分离的方法，所述方法包括下列步骤：
1)进料阶段
采用三级螺旋输送器进料，原料由进料仓(1)加入，第一级螺旋输送器(2)在物料输送的同时起到密封作用，第二级螺旋输送器(3)在物料输送的同时耦合了接种发酵菌液、补加营养盐、调整pH，并将接种、补加营养盐、调整pH后的物料混合均匀，第三级螺旋输送器(4)将物料送入塔内，由布料器(5)将料均匀、松散的散入塔内，物料在第二级螺旋输送器(3)的传输过程属于预发酵或预水解过程。
2)发酵阶段
进料结束后，开启风机(12)，使载气在系统内形成循环，载气和发酵塔水浴夹套共同加热物料，物料温度上升到发酵温度后，即开始发酵。固相发酵湿物料在重力的作用下由上向下运动，同时受由下向上运动的载气曳力的作用，处于膨胀或半膨胀向下移动的状态，移动过程中物料在发酵塔(6)内经过三个阶段，发酵前期，主发酵期和后发酵期，最后物料到达塔底。
3)气提热泵耦合分离阶段
载气在系统内不断的往复循环，在发酵塔底经出料器(7)进入塔中进行气提，当载气具有较高干燥能力时(相对湿度较小)主要以显热方式向固态发酵湿物料传递热量，湿物料吸收热量后水和发酵产物汽化，由液相进入气相，当载气具有较低干燥能力时(相对湿度较大)主要以潜热方式传热：即水由载气中气相到发酵料中液相的相变放热，发酵产物由发酵料中液相到载气中气相的相变吸热，两种方式均使发酵产物从发酵料中分离出来，并将发酵产生的热量带入气相。
载气在塔中脱离固态发酵湿物料的阻力后，气相的发酵产物和水的含量达到操作过程的最大值，在塔顶温度下由风机(12)送至5～10℃热泵蒸发器(13)中，低温下水和发酵产物蒸汽被冷凝、液化分离，从热泵蒸发器的底部收集得到产品，冷凝分离后的载气发酵产物和水的含量达到操作过程的最小值，由热泵蒸发器的顶部出口送至热泵冷凝器(14)调湿加热至设定温度值后再送入发酵塔(6)底部，完成再次工艺循环操作过程。
4)出料阶段
发酵产物从热泵蒸发器(13)的底部收集。
发酵料移动至发酵塔底时，发酵与气提分离结束，发酵渣被出料器(7)带入出料螺旋输送器(8)中，由出料螺旋输送器(8)送至塔外，出料螺旋输送器(8)在出料同时起到密封作用。出料器(7)同时还起到搅拌物料及载气分布器的作用。
5)尾气吸附阶段
若发酵过程中有气体副产物生成，发酵过程中系统内气相压力将逐渐增大，达到一定程度时通过吸附装置(17)排出部分气体，排出气体夹带的部分发酵产物被吸附装置(17)吸附，再通过解吸附回收。
本发明提出的连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的设备，其特征在于：包括进料仓(1)，四级螺旋输送器(2，3，4，8)，种子罐(9)，营养盐罐(10)，布料器(5)，发酵塔(6)，出料器(7)，风机(12)，热泵蒸发器(13)，热泵冷凝器(14)，热泵压缩机(22)，节流阀(23)，加湿器(15)，活性炭吸附器(17)，止回阀(19)，流量计(21)，电磁阀(16)。
所述第一级螺旋输送器(2)将进料仓(1)的粉碎物料送入第二级螺旋输送器(3)；
所述第二级螺旋输送器(3)的入口处进行接种、补加营养盐、调整pH。
所述第三级螺旋输送器(4)的出口位于布料器(5)上方；
所述出料器(7)和第四级螺旋输送器(8)入口相通，由出料器(7)带动物料进入第四级螺旋输送器(8)；
所述风机(12)入口与发酵塔(6)顶部相连，出口与热泵蒸发器(13)相连；
所述流量计(22)一端与热泵冷凝器(14)相连，一端与发酵塔(6)底部相连；
所述布料器(5)、出料器(7)上都均匀开有小孔。
本发明具有以下优点：
(1)采用四级螺旋输送器实现固相物料的连续进、出料，可实现固态发酵的连续生产，同时设备密封性好，不易染菌，可实现纯种发酵；
(2)实现恒温发酵与发酵产物气提分离的耦合，解决了固态发酵过程传质传热的控制问题，在线分离出发酵产物可减除产物抑制，提高发酵效率；
(3)引入热泵技术控制系统气相、液相的转变过程，回收发酵产生的热量用于产物的气提分离，由发酵、产物分离过程和热泵构成了热量闭合循环体系，实现了能量的充分利用和能量的质与量的高效统一；
(4)工艺过程能耗低、用水量少、生产成本低、无污染，实现了清洁生产。
附图说明：
图1是本发明的技术路线图
图2是本发明的设备组成示意图
图面说明如下：
1进料仓，2一级螺旋输送器，3二级螺旋输送器，4三级螺旋输送器，5布料器，6主发酵塔，7出料器，8出料螺旋输送器，9种子罐，10营养盐罐，11排污口，12罗茨风机，13热泵蒸发器，14热泵冷凝器，15加湿器，16电磁阀，17活性炭吸附器，18排气口，19止回阀，20酒精分离口，21流量计，22压缩机，23节流阀
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
以含水量80％，总糖含量13％～14％，还原糖含量6％～7％的粉碎甜高粱秆为原料，通过螺旋输送器进料120L，进料同时接种安琪高活性酿酒干酵母(接种量0.5％)，并添加营养盐(0.5％(NH4)2SO4，0.5％CaCl2)，调节pH为5.0左右，进料结束后用CO2置换系统内空气，置换结束开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在35℃，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，间隔从热泵蒸发器底部收集粗乙醇，共发酵24h，最终共收集到乙醇溶液7600ml，其乙醇体积分数24.0％，总乙醇得率为5.09g/100g甜高粱秆，达到乙醇理论得率的78.5％，发酵渣残留总糖含量为0.32％，还原糖含量为0.18％。
实施例2
以含水量80％，总糖含量13％～14％，还原糖含量6％～7％的粉碎甜高粱秆为原料，通过螺旋输送器进料120L，进料同时接种安琪高活性酿酒干酵母(接种量0.5％)，并添加营养盐(0.5％(NH4)2SO4，0.5％CaCl2)，调节pH为5.0左右，进料结束后用CO2置换系统内空气，置换结束开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在35℃，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，间隔从热泵蒸发器底部收集粗乙醇，发酵开始后同时开启四级螺旋输送器连续进、出料，进、出料速度保持相同，都为20L/24h，连续发酵72h，共进料180L，最终共收集到乙醇溶液11600ml，其乙醇体积分数23.5％，总乙醇得率为4.95g/100g甜高粱秆，达到乙醇理论得率的76.2％，发酵渣残留总糖含量为0.35％，还原糖含量为0.21％。
实施例3
以含水量66.5％，淀粉含量17.15％的鲜葛根，切碎至10～15cm小段，在蒸汽压力0.8Mpa的条件下汽爆处理3.5min，将汽爆葛根通过螺旋输送器进料120L，进料同时加入糖化酶(65U/g底物)，接种安琪高活性酿酒干酵母(接种量0.5％)，并添加营养盐(0.1％(NH4)2SO4、0.1％KH2PO4)，调整pH为5.0左右，进料结束后用CO2置换系统内空气，置换结束开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在35℃，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，间隔从热泵蒸发器底部收集粗乙醇，共发酵60h，最终共收集到乙醇溶液12500ml，其体积分数36％，总乙醇得率为9.2g/100g葛根，淀粉利用率达到95％。
实施例4
以含水量80％，总糖含量13％～14％，还原糖含量6％～7％的粉碎甜高粱秆为原料，通过螺旋输送器进料120L，进料同时接种丙酮丁醇梭菌(C.acetobutylicumAS1.132)，接种量7％，并添加营养盐(尿素2g/L，KH2PO4 0.5g/L，MgSO4 0.3g/L)，调节pH为7.0左右，进料结束后用氮气置换系统内空气，置换结束开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在35℃，热泵蒸发器温度5～10℃，氮气流量3.6m3/h，间隔从热泵蒸发器底部收集产品，共发酵24h，最终共收集到产品3200ml，其中丙酮浓度40.2g/L，丁醇浓度85.4g/L，总有机溶剂得率为5.6g/100g甜高粱秆，达到理论得率的80％，发酵渣残留总糖含量为0.33％，还原糖含量为0.20％。
实施例5
以含水量50％，纤维素含量35％的粉碎汽爆玉米秸秆为原料，通过螺旋输送器进料120L，进料同时加入纤维素酶20IU/g底物，接种安琪高活性酿酒干酵母(接种量0.2％)，并添加营养盐(0.1％(NH4)2SO4、0.1％KH2PO4)，调整pH为4.8左右，控制第二级螺旋输送器内温度为50℃，水解后汽爆玉米秸秆进入发酵塔后，用CO2置换系统内空气，置换结束开启风机和热泵装置，控制发酵塔内温度在35℃，热泵蒸发器温度5～10℃，CO2流量3.6m3/h，间隔从热泵蒸发器底部收集粗乙醇，共发酵24h，最终共收集到乙醇溶液17500ml，其体积分数18％，总乙醇得率为6.93g/100g玉米秸秆，达到乙醇理论得率的72.3％。

Claims (11)

1.一种连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法，所述方法包括下列步骤：
1)进料阶段：粉碎固态物料经过三级螺旋输送器连续进料；
2)发酵阶段：发酵料在发酵塔内进行循环气提固态发酵；
3)气提热泵耦合分离阶段：循环载气带出发酵产物后经过热泵，发酵产物在热泵蒸发器中冷凝回收；
4)出料阶段：发酵渣经过一级螺旋输送器连续出料；
5)尾气吸附阶段：发酵产生的多余气体经过活性炭吸附装置排出，夹带的发酵产物被吸附，再通过解吸附回收。
2.按权利要求1所述的连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法，其特征在于：所述步骤1的三级螺旋输送器中，第一级螺旋输送器(2)在物料输送的同时起到密封作用，第二级螺旋输送器(3)在物料输送的同时耦合了接种发酵菌液、补加营养盐、调整pH过程，并将接种、补加营养盐、调整pH后的物料混合均匀，第三级螺旋输送器(4)将物料送入塔内，由布料器(5)将料均匀、松散的散入塔内，物料在第二级螺旋输送器(3)的传输过程属于预发酵或预水解过程。
3.按权利要求1所述的连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法，其特征在于：所述步骤2的固态物料在发酵同时在重力的作用下由上向下运动，同时受由下向上运动的载气曳力的作用，处于膨胀或半膨胀向下移动的状态，移动过程中物料在发酵塔(6)内经过三个阶段，发酵前期，主发酵期和后发酵期，最后物料到达塔底。
4.按权利要求1所述的连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法，其特征在于：所述步骤3的气提和热泵分离耦合进行，循环载气在发酵塔底经出料器(7)进入发酵塔(6)内，与固态发酵料接触，将发酵产物从固态发酵料中带入气相，再进入热泵蒸发器(13)后降温，发酵产物被冷凝收集，不凝性载气经过热泵冷凝器(14)加热后又回到发酵塔底，开始再次循环。
5.按权利要求1所述的连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法，其特征在于：所述步骤3的气提热泵耦合分离过程，在发酵产物被气提并冷凝收集的过程中，发酵产生的热量也被回收用于发酵产物的气提，发酵、气提和热泵构成了热量闭合循环体系。
6.按权利要求1所述的连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法，其特征在于：所述步骤4的出料螺旋输送器(8)在出料同时还起到密封作用，物料通过出料器(7)进入出料螺旋输送器(8)，出料器(7)同时起到搅拌物料及气体分布器的作用。
7.按权利要求1所述的连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法，其特征在于：所述步骤5的尾气吸附在系统内气相压力达到表压200kPa时开始，降到表压50kPa时结束。
8.按权利要求1所述的连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法，其特征在于：所述步骤1的三级螺旋输送器与所述步骤4的出料螺旋输送器的送料速度相同，维持塔内物料量恒定。
9.按权利要求1所述的连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法，其特征在于：所述的三级螺旋输送器和发酵塔(6)的温度通过水浴循环夹套控制。
10.按权利要求1所述的连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的方法，其特征在于：所述的载气为氮气或二氧化碳。
11.一种连续固态发酵与产物气提热泵耦合分离的设备，其特征在于：包括进料仓(1)，四级螺旋输送器(2，3，4，8)，种子罐(9)，营养盐罐(10)，布料器(5)，发酵塔(6)，出料器(7)，风机(12)，热泵蒸发器(13)，热泵冷凝器(14)，热泵压缩机(22)，节流阀(23)，加湿器(15)，活性炭吸附器(17)，止回阀(19)，流量计(21)，电磁阀(16)。
所述第一级螺旋输送器(2)将进料仓(1)的粉碎物料送入第二级螺旋输送器(3)；
所述第二级螺旋输送器(3)的入口处进行接种、补加营养盐、调整pH。
所述第三级螺旋输送器(4)的出口位于布料器(5)上方；
所述出料器(7)和第四级螺旋输送器(8)入口相通，由出料器(7)带动物料进入第四级螺旋输送器(8)；
所述风机(12)入口与发酵塔(6)顶部相连，出口与热泵蒸发器(13)相连；
所述流量计(22)一端与热泵冷凝器(14)相连，一端与发酵塔(6)底部相连；
所述布料器(5)、出料器(7)上都均匀开有小孔。
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