CN101787378A - 一种连续萃取发酵生产生物丁醇的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发酵生产生物丁醇技术领域，涉及一种淀粉类物质和糖类物质萃取发酵生产生物丁醇的方法及装置，发酵醪液由前一发酵罐排出后送入下一发酵罐依次继续发酵，发酵醪液由前一发酵罐送入下一发酵罐的压罐输送过程中加入萃取剂混合进行萃取丁醇，萃取剂将发酵醪液中产生的丁醇萃取分离出来后，再将萃取剂和丁醇的混合物分离后的发酵醪液送入下一发酵罐进行发酵。本发明实现了连续萃取发酵生产生物丁醇的方法和装置，通过连续添加萃取剂，连续分离生物丁醇，连续补加原始醪液的办法来实现生产生物丁醇的，最高可提高生物丁醇产率3倍，节省二分之一蒸汽，减少百分之六十以上的废水排放，为生物丁醇生产企业带来非常可观的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于发酵生产生物丁醇技术领域，涉及一种淀粉类物质和糖类物质连续萃取发酵生产生物丁醇的方法及装置。
背景技术
生物丁醇是指利用现有的生物资源，通过生物发酵生产制取的丁醇。丁醇广泛用于有机合成塑料、树脂、油漆、医药和国防工业。丁醇除可用作溶剂外还是一种潜在的大综动力燃料，它的燃烧值和汽油相当，是汽车用油的替代品。现有的生物丁醇生产工艺是通过对淀粉类物质或纤维素水解后的糖类物质，高温杀菌，接丙酮丁醇梭菌、丙酮丁酸杆菌、糖丁酸梭菌或巴氏芽孢梭菌发酵，蒸馏分离等工艺进行生产得到的，由于发酵过程中丁醇生成浓度的增加，超过10g/l时对发酵菌种有抑制作用。醪液浓度太大时，以玉米淀粉配制的醪液为例，在现有领域中，例如用玉米淀粉发酵生产丁醇的工艺中，如果玉米淀粉重量浓度大于8.5％，由于产生丁醇量多，丁醇浓度达到最大值10g/l就对发酵菌种产生抑制不能继续发酵，所以多余的淀粉就用不上了，造成原料浪费，醪液浓度太低蒸馏分离工段中浪费大量的蒸汽，产生废水太多，不利于节能减排。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续萃取发酵生产生物丁醇的方法，该方法可使丁醇产量最大化。
本发明的另一目的在于提供一种实现连续萃取发酵生产生物丁醇的装置。
本发明采用以下技术方案：
一种连续萃取发酵生产生物丁醇的方法，发酵醪液由前一发酵罐排出后送入下一发酵罐依次继续发酵，发酵醪液由前一发酵罐送入下一发酵罐的压罐输送过程中加入萃取剂混合进行萃取丁醇，萃取剂将发酵醪液中产生的丁醇萃取分离出来后，再将萃取剂和丁醇的混合物分离后的发酵醪液送入下一发酵罐进行发酵。
所述前一发酵罐中发酵醪液中的含糖质量百分比为14％-25％，前一发酵罐中发酵醪液开始发酵后的12-45小时后添加萃取剂，萃取剂加入的流量是发酵醪液压罐流量的1/10-1/50。
向下一发酵罐中补充原始醪液，使混合物质的含糖质量百分比为14％-25％，控制pH值为4.3-7。
所述萃取剂和丁醇的混合物精馏分离，萃取剂添加至发酵醪液中循环利用，丁醇进行精制。
一种单单元萃取分离设备，包括容器，容器的上部设有进料管、重相分出管、轻相分出管，进料管出口的下方设有阻料板，重相分出管的进口位于容器的下部，进料管、轻相分出管、重相分出管高度依次降低。
一种双单元萃取分离设备，包括容器，容器内设有将容器内分隔为两个空间的隔板，其中第一空间的上部设有进料管和第一重相分出管，进料管出口的下方设有阻料板，第一重相分出管的进口位于第一空间的下部，第一重相分出管的出口位于第二空间内，进料管、隔板的上端、第一重相分出管的高度依次降低；第二空间内设有第二重相分出管和轻相分出管，第二重相分出管的进口位于第二空间的下部，第一重相分出管的出口的正下方设有阻料板，第一重相分出管、轻相分出管、第二重相分出管的高度依次降低。
一种连续萃取发酵生产生物丁醇的装置，包括前一发酵罐和下一发酵罐，前一发酵罐和下一发酵罐之间由萃取分离设备连接，前一发酵罐和萃取分离设备设有混合器，混合器的进口连接有萃取剂进管。
所述萃取分离设备的轻相分出管与精馏装置连接，混合器的进口的萃取剂进管与冷却器、换热器、加热器连接，精馏装置与换热器连接。
所述萃取分离设备为单单元萃取分离设备和/或双单元萃取分离设备。
所述混合器为搅拌混合器、文丘里式混合器或静态混合器。
本发明中的原始醪液指的是淀粉类物质和/或糖类物质经配料、杀菌之后、发酵之前的醪液；发酵醪液指的是淀粉类物质和/或糖类物质经配料、杀菌、进入发酵阶段后的醪液。
本发明的方法是在发酵过程连续不断地把已生成的丁醇从发酵醪液中萃取分离出来，让发酵连续进行，从而获得丁醇的最大产量。具体方法为在发酵产生丁醇的过程中，向发酵醪液在进入下一发酵罐前的混合器中添加萃取剂，加入时间为发酵醪液在前一发酵罐中开始发酵后的12-45小时，优选30-40小时，萃取剂添加的流量是发酵醪液压罐流量的1/10-1/50，萃取剂将发酵醪液中的丁醇萃取分离出来，然后再将萃取剂和丁醇的混合物分离后的发酵醪液送入下一发酵罐进行发酵，向下一发酵罐中补充原始醪液，原始发酵醪液与将萃取剂和丁醇的混合物分离后的发酵醪液温度相同或相近，保持混合物质中的含糖质量百分比为14％-25％，继续重复发酵、萃取、分离过程，最终至发酵醪液产生中的丙酮浓度超高抑制发酵为止，丙酮含量可采用气相色谱方法测定，也可根据发酵过程产气量的速度观测。本发明采用萃取剂将发酵醪液在发酵过程中产生的丁醇萃取分离出来，萃取剂的选择条件难溶于水，密度低于水且尽可能低，在生物丁醇的分配系数大且对发酵菌种无毒性，根据以上性质优选油醇；萃取剂、发酵醪液、丁醇在萃取分离设备内充分萃取，由于丁醇在萃取剂中的分配系数大且萃取剂密度小于发酵醪液，三种物质重新分配，密度小且溶解大部分丁醇的萃取剂部分位于上层，然后排出，位于下方的发酵醪液排入下一发酵罐并补加原始醪液后继续发酵。
本发明的单单元萃取分离设备和双单元萃取分离设备可以实现萃取剂与丁醇混合物与发酵醪液的分离。对于单单元萃取分离设备，密度小位于上方的萃取剂与丁醇混合物由轻相分出管排出，密度大的发酵醪液下沉由重相分出管排出；对于双单元萃取分离设备，其内部形成两个串联的萃取分离单元，在第一空间内萃取剂与丁醇混合物由隔板上方流入第二空间，第一空间内的发酵醪液经第一重相分出管流入第二空间，混合物质在第二空间内继续萃取分层，萃取剂与丁醇混合物由轻相分出管排出，密度大的发酵醪液由第二重相分出管排出，排入下一发酵罐并补加原始醪液后继续发酵。在同一个萃取单元中，每一个萃取单元底部是相互连通的，在每个萃取设备单元中萃取剂的轻相出口管的轻相压力和重相出口管的发酵醪液压力相等，这样当萃取分离设备连续加入混合液，萃取分离设备的轻相出口管和重相出口管分别连续不断地排出萃取剂和发酵醪液，达到连续不断地工作。实现了在发酵过程连续不断地把已生成的生物丁醇从发酵醪液中除去，让发酵继续进行，或添加新的营养源从而获得生物丁醇的最大产量。
单单元萃取分离设备和双单元萃取分离设备进料管出口的下方设有阻料板用于缓冲料液的冲力；萃取剂经加热器加热杀菌、再经换热器、冷却器降温后进入混合器，防止温度过高对发酵菌种的影响；萃取剂与丁醇混合物排出后送入精馏装置分离萃取剂和丁醇，回收的萃取剂和加热器加热后的萃取剂进行换热，换热后的回收萃取剂进入加热器进行加热杀菌，萃取形成循环，节省能源。
本发明的萃取分离设备可以设为多单元的形式，类似于双单元萃取分离设备，设置多个第二空间作为萃取单元，形成在单个容器内串联萃取分离的过程。
本发明的萃取分离设备可以设为串联的单单元萃取分离设备和双单元萃取分离设备、单单元萃取分离设备和单单元萃取分离设备、双单元萃取分离设备和双单元萃取分离设备或双单元萃取分离设备和单单元萃取分离设备。
本发明的萃取分离设备也可以直接作为发酵罐，兼具发酵罐进行发酵和萃取分离的作用。
本方法就是根据发酵生产生物丁醇的这一特性，发明了连续萃取发酵生产生物丁醇的方法和装置，本发明通过发酵醪液压罐时连续添加萃取剂、连续分离生物丁醇、连续补加原始醪液的办法来实现生产生物丁醇的，最高可提高生物丁醇产率3倍，节省二分之一蒸汽，减少百分之六十以上的废水排放，为生物丁醇生产企业带来非常可观的经济效益。
附图说明
图1为实施例1单单元萃取设备的结构示意图；
图2为实施例2双单元萃取设备的结构示意图；
图3为实施例2连续萃取发酵生产生物丁醇的装置的结构示意图；
图4为实施例3连续萃取发酵生产生物丁醇的装置的结构示意图；
图5为实施例4连续萃取发酵生产生物丁醇的装置的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示的单单元萃取分离设备1，包括容器10，容器10的上部设有进料管11、重相分出管13、轻相分出管14，进料管11出口的下方设有阻料板12，用于缓冲物料，重相分出管13的进口位于容器10的下部，进料管11、轻相分出管14、重相分出管13高度依次降低。
实施例2
如图2所示的双单元萃取分离设备2，包括容器20，容器20内设有将容器内20分隔为两个空间的隔板23，其中第一空间28的上部设有进料管21和第一重相分出管24，进料管21出口的下方设有阻料板22，第一重相分出管24的进口位于第一空间28的下部，第一重相分出管24的出口位于第二空间29内，进料管21、隔板23的上端、第一重相分出管24的高度依次降低；第二空间29内设有第二重相分出管27和轻相分出管26，第二重相分出管27的进口位于第二空间29的下部，第一重相分出24管的出口的正下方设有阻料板22，第一重相分出管24、轻相分出管26、第二重相分出管27的高度依次降低。
如图3所示的连续萃取发酵生产生物丁醇的装置，包括前一发酵罐3和下一发酵罐4，前一发酵罐3和下一发酵罐4之间由双单元萃取分离设备2连接，双单元萃取分离设备2的第二重相分出管27与下一发酵罐4的进口连接，前一发酵罐3和双单元萃取分离设备2之间设有搅拌混合器34，搅拌混合器34进口的萃取剂进管与冷却器33、换热器32、加热器31连接，精馏装置5的出口与换热器32连接，精馏装置5分离出的丁醇去精制；轻相分出管26与精馏装置5的进口连接。下一发酵罐4上设有补料装置41、加碱装置42和pH值检测口43。
玉米淀粉在前一发酵罐3内经丙酮丁醇梭菌发35小时后形成含糖质量百分比为14％的发酵醪液，发酵醪液从前一发酵罐3中压出送入搅拌混合器34，油醇进入加热器31加热至135℃杀菌，经换热器32换热、冷却器33冷却至38℃后进入搅拌混合器34和发酵醪液混合，油醇加入的流量是发酵醪液压罐流量的1/10-1/50，发酵醪液和油醇在搅拌混合器34混合后送入双单元萃取分离设备2；油醇、发酵醪液、丁醇在双单元萃取分离设备2内充分萃取，由于丁醇在油醇中的分配系数大且油醇密度小于发酵醪液，三种物质重新分配，油醇从发酵醪液中萃取出丁醇，不溶于水的油醇因比重小于水，故比重小且溶解大部分丁醇的油醇部分位于上层，在第一空间28内油醇与丁醇的混合物由隔板23上方流入第二空间29，第一空间28内的发酵醪液经第一重相分出管24流入第二空间29，混合物质在第二空间29内继续萃取分层，油醇与丁醇混合物由轻相分出管26排出，密度大的发酵醪液由第二重相分出管27排出，排入下一发酵罐4并补加原始醪液后继续发酵，控制pH值为4.3-7。油醇与丁醇混合物由轻相分出管26排出后送入精馏装置5分离，分离后的油醇返回换热器32与加热后的油醇换热升温，返回加热器31循环使用。
实施例3
如图4所示的连续萃取发酵生产生物丁醇的装置，包括前一发酵罐3和下一发酵罐4，前一发酵罐3和下一发酵罐4之间由串联的双单元萃取分离设备2和单单元萃取分离设备1连接，前一发酵罐3和双单元萃取分离设备2设有搅拌混合器34，搅拌混合器34的进口的萃取剂进管与冷却器33、换热器32、加热器31连接，精馏装置5的出口与换热器32连接；双单元萃取分离设备2的轻相分出管26与单单元萃取分离设备1的进料管11连接，单单元萃取分离设备1的轻相分出管14与精馏装置5的进口连接，双单元萃取分离设备2的第二重相分出管27和单单元萃取分离设备1的重相分出管13与下一发酵罐4的进口连接，下一发酵罐4上设有补料装置41、加碱装置42和pH值检测口43。
玉米淀粉在前一发酵罐3内经丙酮丁醇梭菌发酵40小时后形成含糖质量百分比为16％的发酵醪液，发酵醪液从前一发酵罐3中压出送入搅拌混合器34，油醇进入加热器31加热至135℃杀菌，经换热器32换热、冷却器33冷却至38℃后进入搅拌混合器34，油醇加入的流量是发酵醪液压罐流量的1/10-1/50，发酵醪液和油醇在搅拌混合器34混合后送入双单元萃取分离设备2；油醇、发酵醪液、丁醇在双单元萃取分离设备2内充分萃取，由于丁醇在油醇中的分配系数大且油醇密度小于发酵醪液，三种物质重新分配，油醇从醪液中萃取出丁醇，不溶于水的油醇因比重小于水，故比重小且溶解大部分丁醇的油醇部分位于上层，在第一空间28内的油醇与丁醇混合物由隔板23上方流入第二空间29，第一空间28内的发酵醪液经第一重相分出管24流入第二空间29，混合物质在第二空间29内继续萃取分层，油醇与丁醇混合物由轻相分出管26排出进入单单元萃取分离设备1进行二次萃取分离，密度大的发酵醪液由双单元萃取分离设备2的第二重相分出管27和单单元萃取分离设备1的重相分出管13排入下一发酵罐4并补加原始醪液后继续发酵，控制pH值为4.3-7。油醇与丁醇混合物由单单元萃取分离设备1的轻相分出管14排出后送入精馏装置5分离，分离后的油醇返回换热器32与加热后的油醇换热升温，返回加热器31循环使用；精馏装置5分离出的丁醇去精制。
实施例4
如图5所示的连续萃取发酵生产生物丁醇的装置，与实施例3的不同之处在于，下一发酵罐4后面还连接有发酵罐6和单单元萃取分离设备1，发酵罐6和单单元萃取分离设备1之间设有搅拌混合器34，搅拌混合器34进口的萃取剂进管与冷却器33、换热器32、加热器31连接，精馏装置5的出口与换热器32连接，单单元萃取分离设备1的轻相分出管14与精馏装置5的进口连接。
发酵罐3中的发酵醪液中的丁醇经油醇在双单元萃取分离设备2萃取分离后进入发酵罐4，补加原始醪液后进入发酵罐6继续发酵，再经过单单元萃取分离设备1萃取分离，继续循环以上发酵、萃取分离过程，实现连续生产。
Claims (10)
1.一种连续萃取发酵生产生物丁醇的方法，其特征在于：发酵醪液由前一发酵罐排出后送入下一发酵罐依次继续发酵，发酵醪液由前一发酵罐送入下一发酵罐的压罐输送过程中加入萃取剂混合进行萃取丁醇，萃取剂将发酵醪液中产生的丁醇萃取分离出来后，再将萃取剂和丁醇的混合物分离后的发酵醪液送入下一发酵罐进行发酵。
2.如权利要求1所述的连续萃取发酵生产生物丁醇的方法，其特征在于：所述前一发酵罐中发酵醪液中的含糖质量百分比为14％-25％，前一发酵罐中发酵醪液开始发酵后的12-45小时后添加萃取剂，萃取剂加入的流量是发酵醪液压罐流量的1/10-1/50。
3.如权利要求1或2所述的连续萃取发酵生产生物丁醇的方法，其特征在于：向下一发酵罐中补充原始醪液，使混合物质的含糖质量百分比为14％-25％，控制pH值为4.3-7。
4.如权利要求3所述的连续萃取发酵生产生物丁醇的方法，其特征在于：所述萃取剂和丁醇的混合物精馏分离，萃取剂添加至发酵醪液中循环利用，丁醇进行精制。
5.一种单单元萃取分离设备，包括容器，其特征在于：容器的上部设有进料管、重相分出管、轻相分出管，进料管出口的下方设有阻料板，重相分出管的进口位于容器的下部，进料管、轻相分出管、重相分出管高度依次降低。
6.一种双单元萃取分离设备，包括容器，其特征在于：容器内设有将容器内分隔为两个空间的隔板，其中第一空间的上部设有进料管和第一重相分出管，进料管出口的下方设有阻料板，第一重相分出管的进口位于第一空间的下部，第一重相分出管的出口位于第二空间内，进料管、隔板的上端、第一重相分出管的高度依次降低；第二空间内设有第二重相分出管和轻相分出管，第二重相分出管的进口位于第二空间的下部，第一重相分出管的出口的正下方设有阻料板，第一重相分出管、轻相分出管、第二重相分出管的高度依次降低。
7.一种连续萃取发酵生产生物丁醇的装置，包括前一发酵罐和下一发酵罐，其特征在于：前一发酵罐和下一发酵罐之间由萃取分离设备连接，前一发酵罐和萃取分离设备设有混合器，混合器的进口连接有萃取剂进管。
8.如权利要求7所述的连续萃取发酵生产生物丁醇的装置，其特征在于：所述萃取分离设备的轻相分出管与精馏装置连接，混合器的进口的萃取剂进管与冷却器、换热器、加热器连接，精馏装置与换热器连接。
9.如权利要求7或8所述的连续萃取发酵生产生物丁醇的装置，其特征在于：所述萃取分离设备为单单元萃取分离设备和/或双单元萃取分离设备。
10.如权利要求9所述的连续萃取发酵生产生物丁醇的装置，其特征在于：所述混合器为搅拌混合器、文丘里式混合器或静态混合器。
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