CN101875949B - 一种利用甜高粱茎秆生产燃料乙醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甜高粱茎秆生产燃料乙醇的方法，其主要是将甜高粱茎秆进行冷冻储存后解冻，然后进行压榨提汁、浓缩处理后进行预发酵和液态发酵，发酵过程中回收酵母，然后进行乙醇蒸馏和脱水，最终制备成燃料乙醇。通过本发明最终实现了达到产业化要求的整合工艺技术，现有固态发酵吨乙醇耗茎秆18吨，发酵时间48～72小时，电耗420kWh，耗蒸汽6.5吨。与现有技术相比，本发明吨乙醇耗茎秆减少2.47吨，电耗减少172kWh，耗蒸汽减少3.15吨。本发明最终达到吨乙醇耗茎秆15.53t、耗电248kWh、耗蒸汽3.35t的指标，通过研发实验对现有技术中的难点进行突破，最终实现了高得率、低加水、低能耗的甜高粱茎秆压榨法提汁步骤。

Description

一种利用甜高粱茎秆生产燃料乙醇的方法

技术领域

本发明涉及一种燃料乙醇的生产方法，具体地说是一种利用甜高粱茎秆生产燃料乙醇的方法。

背景技术

现有生产燃料乙醇的方法主要是利用甜高粱进行固态发酵生产。固态法甜高粱茎秆生产燃料乙醇工艺技术是不通过提汁直接利用甜高粱茎秆进行发酵生产燃料乙醇的技术，因其不提汁，当甜高粱茎秆结冻后，即无法进行发酵，所以工厂每年生产期只有收割到结冻这两个月的时间。而固态法甜高粱茎秆发酵工艺发酵设备复杂，这主要原因是因固态法无法利用普通的搅拌器进行搅拌，所以必须利用需要很大动力的斜面转鼓式固态发酵罐系统，因这套系统是用动力来驱动整个发酵罐转动，从而使内部的茎秆全部转动，所以必然造成该系统耗电大，设备制造复杂而困难，投资巨大。

从原料储存上来看，甜高粱与甘蔗在榨期上有很大差距。甘蔗在热带地区全年生长，如果安排的好，榨期可以长达8-10个月；而在东北种植甜高粱，一年只有一季，到秋季收获，错开种植，榨期也只有2个月。原料集中压榨，会造成设备利用率过低，造成投资过大，没有经济效益；拉长收割期，会使原料糖份大幅下降，原料单耗过高增加原本。

发酵是生产燃料乙醇的关键步骤，它直接决定了吨乙醇耗原料、发酵设备利用率也即发酵设备投资、后期蒸馏所需能耗及塔底废水排放量等各项重要指标，特别是在我们这套工艺中，因为需浓缩储存糖浆，到了发酵又需重新稀释，如果发酵乙醇浓度过低，必然所需的糖汁浓度就低，稀释加水量大，从而增加了发酵和蒸馏设备的投资，也增加了蒸馏的能耗和污水排放量，所以提高发酵醪中的乙醇浓度即成为了决定生产成本和设备投资的重要因素，按常规的发酵方法12.5％(v/v)酒份即为浓醪发酵，如果发酵乙醇浓度过高会造成残总糖过高，即造成吨乙醇耗原料过高，同时也会造成发酵时间过长、设备投资过大，所以在高浓度的情况下还需低耗糖，发酵时间短，这样的工艺用常规发酵方法是很难达到的。

目前。本领域技术人员急需解决上述问题。

发明内容

为了弥补现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种具有成本低、生产周期短等优势的利用甜高粱茎秆生产燃料乙醇的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下具体技术方案：

一种利用甜高粱茎秆生产燃料乙醇的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将甜高粱茎秆冷冻储存，储存温度为0～10℃，储存时间为100～120天；

(2)将冷冻储存后的甜高粱茎秆解冻；

(3)将解冻后的甜高粱茎秆去叶鞘；

(4)将步骤(3)得到的产物原料进行撕裂和粉碎，撕裂度≥90％；

(5)将处理后的原料压榨提汁；

(6)压榨提汁后的糖汁进行浓缩，浓缩55％糖份的糖汁进行储存；20％～25％糖份的糖汁进行下一步液态发酵及乙醇蒸馏脱水步骤。

所述步骤(6)后将20％～40％糖份的糖汁进行步骤(7)预发酵，将活化后的酵母加入已灭菌的发酵罐中，并用新活化的酵母调节发酵罐中酵母量，酵母浓度不低于5.0亿/ml，加甜高粱糖液，速度为200L/h，空气流量550L/min；温度控制在32.5℃，气体流量调整至800L/min，25min时开搅拌，速度为100rpm。

还包括步骤(8)发酵：继续加入甜高粱糖液，空气流量提升至800～1200L/min；持续搅拌，1.5～2h开始将pH值控制在4.0±0.1，保持至发酵结束；发酵3～4h停止通气，继续加入甜高粱糖液，持续搅拌；发酵至6～7h停止加入甜高粱糖液；25～35h停止发酵；酵母分离回收活化：将发酵醪液中的酵母用碟片分离机分离，将分离出的酵母液用浓度为1％稀酸液浸泡处理，温度保持在32～35℃ 5min，备用；利用分离活化后的酵母重复步骤(7)至步骤(8)3～4次。

所述酵母为热带假丝酵母(Candida tropicalis)ZXNY-1，于2010年6月2日，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号，邮编：100101。保藏编号为：CGMCC No.3889。

所述甜高粱糖液是由含糖量为20～45％的甜高粱糖汁在步骤(7)预发酵前需配制成总糖为20～30g/ml，pH为4的糖液。

所述步骤(2)中解冻方法为温度为75～80℃的水或相同温度的压榨后的甜高粱糖汁喷淋到已经撕裂和粉碎后的甜高粱茎秆上。

所述步骤(5)中压榨提汁利用五组三辊压榨机进行压榨，压辊压力13～15MP，渗透水添加量20％～30％(占茎秆重量)；渗透水温度75～80℃。

所述步骤(8)后还包括步骤(9)将步骤(8)发酵成熟醪液进行乙醇蒸馏和乙醇脱水，最终制备成燃料乙醇。

所述步骤(9)为：发酵成熟醪液进入粗馏塔进行蒸馏，粗馏塔将发酵醪液中乙醇含量蒸馏至60％(v/v)，经粗馏塔蒸馏后，乙醇含量60％的粗酒精溶液进入精馏塔进行精馏，精馏后的酒精溶液再经过分子筛脱水后得到乙醇含量99.5％的燃料乙醇。

本发明的优点与效益：

本发明前期冷冻储存甜高粱茎秆，使得甜高粱茎秆储存120天后糖分损失只有0.53％，且不需增加挖坑投资，优势十分明显。本发明利用浓缩后55％糖份的糖汁进行储存(常温储存)，以供非榨季(3月～6月)使用。这样延长了生产周期，使一年中无论压榨季还是非压榨季均可进行生产。

本发明在发酵成熟醪进入蒸馏前常温下先采用碟片分离机把发酵成熟醪中的酵母分离出来，然后用稀酸液进行浸泡处理，把处理后的酵母回用到第一发酵罐再次利用，从而增加酵母数量，这样酵母数量增加了，但因该酵母已经是成熟酵母，自身基本不再消耗糖汁中的糖份，但却可以进行糖转化乙醇作用。从而实现酵母用量大为减少，原料糖液糖耗少，发酵醪液中酵母浓度可达到4亿/ml以上，发酵时间缩短为22小时。而现有乙醇发酵酵母添加量为1.8亿/毫升，发酵时间48～72小时，酵母菌体随发酵醪液排出。本发明真正实现了甜高粱糖汁短时间、高酒分、低糖耗发酵，发酵醪液中酒份超过14％(v/v)，残总糖低于0.55％，糖转化率高于90％，发酵时间不高于22小时。本发明所提供的保藏编号为CGMCC No.3889的酵母，发酵性能较之现有市售酵母更优，其糖耗更低，活性更好，极适合大规模工业生产，具有很好的市场前景和应用前景。

通过本发明最终实现了达到产业化要求的整合工艺技术，现有固态发酵吨乙醇耗茎秆18吨，发酵时间48～72小时，电耗420kwh，耗蒸汽6.5吨。与现有技术相比，本发明吨乙醇耗茎秆减少2.47吨，电耗减少172kwh，耗蒸汽减少3.15吨，发酵时间缩短26～50个小时以上。

本发明最终达到吨乙醇耗茎秆15.53t、耗电248kwh、耗蒸汽3.35t的指标，通过研发实验对现有技术中的难点进行突破，最终实现了高得率、低加水、低能耗的利用甜高粱茎秆生产燃料乙醇的方法。

附图说明

下面结合附图详细描述本发明的实施方式：

图1是本发明工艺流程图。

具体实施方式

本具体实施方式所用原料：

1、甜高粱：甜高粱采自内蒙古五原县，品种为：醇甜1号；另外醇甜2号、醇甜3号、六环、辽甜1号、辽甜3号、农饲1号、雅津1号、雅津2号、雅津5号和绿能2号等11个品种也可达到相同技术效果，在本具体实施方式中不再赘述。甜高粱品种诸多，本发明不受甜高粱品种限制，其他未提及甜高粱品种也可应用于本发明，并获得同等技术效果。

2、本发明所用的热带假丝酵母(Candida tropicalis)ZXNY-1，保藏编号为：CGMCC No.3889。其直接来源和原始来源均为：从内蒙古五原县甜高粱渣中，筛选分离得到酵母菌，在实验室条件下进行加代繁殖，并进一步筛选出个体优良菌株。

3、碟片分离机：德国产HDA50-06-006型号碟片分离机。

如图1所示，本发明具体步骤为：

(1)茎秆冷冻储存：将甜高粱茎秆冷冻储存，储存温度为0～10℃，储存时间为120天；发明人建议：当年9月至次年2月，共6个月储存效果更加；

(2)解冻：将撕裂和粉碎后的甜高粱茎秆解冻；利用温度为75～80℃的水(也可以使用相同温度的压榨后的甜高粱糖汁)喷淋到已经撕裂和粉碎后的甜高粱茎秆上。

(3)将解冻后的甜高粱茎秆去叶鞘，利用一套风选设备进行去叶鞘处理，先将整根甜高粱茎秆进行切断，处理成15～20厘米长的茎秆段，然后经过风选系统进行除叶鞘。(此步骤为公知技术)

茎杆叶风选系统一般设计如下：

茎杆叶风选系统由一台风选装置、输送管路、一台离心通风机、一台旋风分离器、一台布袋除尘器、螺旋输送机及排空管路组成。物料由螺旋输送机排出。

(4)将步骤(3)得到的产物原料进行撕裂和粉碎，撕裂度≥90％；

(5)压榨提汁：利用日处理量150吨的五组三辊压榨机进行压榨，除叶鞘后的甜高粱茎秆原料经过切断机切割后，再经过链板式输送机输送至三辊压榨机，经过连续五组压榨后，得到甜高粱秸秆渣。榨出的糖汁在压榨过程中进行收集。压辊压力13～15MP，渗透水添加量20％～30％(占茎秆重量)；渗透水温度75～80℃。

(6)压榨提汁后的糖汁进行浓缩，浓缩后55％糖份的糖汁进行储存(常温储存)，浓缩汁储存是指将榨季(9月～次年2月)生产的甜高粱糖汁利用浓缩技术进行储藏，以供非榨季(3月～6月)使用。浓缩到23％糖份的糖汁进行下一步液态发酵及乙醇蒸馏脱水步骤。

(7)预发酵：将浸泡杀菌后的回用酵母加入已灭菌的发酵罐中，并用新活化的酵母调节发酵罐中酵母量，使酵母浓度不低于4.0亿/ml，加甜高粱糖液(23.63g/100ml的糖液)，速度为150L/h，空气流量500L/min。15min时打开温度控制程序，温度控制在32.5℃，气体流量调整至750L/min。20min时开搅拌，速度为100rpm；

(8)发酵：①继续添加甜高粱糖液(23.63g/100ml的糖液)，速度为130L/h，空气流量由750L/min提高至1000L/min，搅拌速度由100rpm升至150rpm，1.5h时开pH值控制程序，控制pH值在4.0±0.1，一直保持到发酵结束；②发酵3.5h时停止通气，继续添加甜高粱糖液(23.63g/100ml的糖液)，速度为130L/h，将发酵温度保持在32.5℃，搅拌转速保持在150rpm，6.2h时添加结束；至30h时停止发酵。③酵母分离回收活化：常温(15℃～35℃)下把上批次发酵醪液中的酵母用碟片式离心机分离，转速为5000～6000r/min，收集其中的重相(重相为酵母浓液)把分离出的酵母液用1％的稀硫酸液调节pH至4.0浸泡处理，温度保持在33℃水浴保温5min，备用。④利用上步骤分离活化后的酵母重复步骤①至步骤④3～4次。

(9)乙醇蒸馏和乙醇脱水：发酵成熟醪液进入粗馏塔进行蒸馏，粗馏塔将发酵醪液中乙醇含量蒸馏至60％(v/v)，经粗馏塔蒸馏后，乙醇含量60％的粗酒精溶液进入精馏塔进行精馏，精馏后的酒精溶液再经过分子筛脱水后得到乙醇含量99.5％的燃料乙醇。

上述乙醇蒸馏和乙醇脱水步骤为本领域技术人员公知的常规技术，在此不详细赘述。

根据其中步骤(5)中压榨提汁后的茎秆渣可以输入到茎秆渣锅炉后，茎秆渣在锅炉进行燃烧，产生出蒸汽提供给蒸发浓缩和蒸馏单元。

所述甜高粱糖液是由含糖量为20～45％的甜高粱糖汁在步骤(7)预发酵前需配制成总糖为20～30g/ml，pH为4的糖液。

乙醇蒸馏后的精馏塔底废醪液中的COD浓度为1500mg/L，可作为稀释液使用，将浓糖浆稀释成发酵适宜浓度。这样减少了用水量，实现废醪液循环使用，解约了资源的同时，大幅度降低了生产成本。

技术效果：

现有甜高粱茎秆储存是将甜高粱茎秆切断后，放入在地下挖的土坑中，再用塑料布覆盖后进行储藏。此种储存方法一是投资较大，根据储存量需挖多个大型土坑；二是甜高粱茎秆中的糖分在储存120天后下降5％左右，糖分损失十分明显。而采用本发明中的冷冻储存技术，甜高粱茎秆储存120天后糖分损失只有0.53％，且不需增加挖坑投资，优势十分明显。本发明将浓缩为浓度为55％的糖汁进行储存，浓缩汁储存是指将榨季(9月～次年2月)生产的甜高粱糖汁利用浓缩技术进行储藏，以供非榨季(3月～6月)使用。这样延长了生产周期，现有技术仅榨季可以制备燃料乙醇，压榨季无法大规模制备，甜高粱茎秆储存条件苛刻，往往不能储存较长时间，因此一直无法解决此技术问题，本发明利用浓缩糖汁的储存使得榨季和非榨季均可制备燃料乙醇。

现有甜高粱压榨只是采用单组、小型压榨设备，无法使用渗透喷淋系统，糖汁提取率只能达到55％，甜高粱渣含水率85％。本发明采用日处理量为150吨的五组三辊压榨机组进行压榨，利用复式渗透法后糖汁提取率达到96.5％，甜高粱渣含水率48％，极大降低了生产成本。

现有甜高粱糖浆浓缩储存技术仅限于实验室规模，多采用单效蒸发器进行糖浆浓缩，吨水耗汽约1.09吨；而我们采用的五效蒸发技术吨水耗汽月0.27吨。节能效果显著。

现有乙醇发酵酵母添加量为1.8亿/毫升，发酵时间48-72小时，酵母菌体随发酵醪液排出。本发明在发酵成熟醪进入蒸馏前常温下先采用碟片分离机把发酵成熟醪中的酵母分离出来，然后用稀酸液进行浸泡处理，把处理后的酵母回用到第一发酵罐再次利用，从而增加酵母数量，这样酵母数量增加了，但因该酵母已经是成熟酵母，自身基本不再消耗糖汁中的糖份，但却可以进行糖转化乙醇作用。从而实现酵母用量大为减少，原料糖液糖耗少，发酵醪液中酵母浓度可达到4亿/ml以上；发酵时间缩短为22小时。真正实现了甜高粱糖汁短时间、高酒分、低糖耗发酵，发酵醪液中酒份超过14％(v/v)，残总糖低于0.55％，糖转化率高于90％，发酵时间不高于22小时。本发明所提供的保藏编号为CGMCCNo.3889的酵母，发酵性能较之现有市售酵母更优，其糖耗更低，活性更好，极适合大规模工业生产，具有很好的市场前景和应用前景。

Claims (3)

1.一种利用甜高粱茎秆生产燃料乙醇的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)将甜高粱茎秆冷冻储存，储存温度为0～10℃，储存时间为100～120天；

(2)将冷冻储存后的甜高粱茎秆解冻；

(3)将解冻后的甜高粱茎秆去叶鞘；

(4)将步骤(3)得到的产物原料进行撕裂和粉碎，撕裂度≥90％；

(5)将处理后的原料压榨提汁；

(6)压榨提汁后的糖汁进行浓缩，浓缩55％糖份的糖汁进行储存；20％～25％糖份的糖汁进行下一步液态发酵及乙醇蒸馏脱水步骤；

(7)将20％～40％糖份的糖汁进行预发酵，将活化后的酵母加入已灭菌的发酵罐中，并用新活化的酵母调节发酵罐中酵母量，酵母浓度不低于5.0亿/ml，加甜高粱糖液，速度为200L/h，空气流量550L/min；温度控制在32.5℃，气体流量调整至800L/min，25min时开搅拌，速度为100rpm；

所述甜高粱糖液是由含糖量为20～45％的甜高粱糖汁在步骤(7)预发酵前需配制成总糖为20～30g/ml，pH为4的糖液；

(8)发酵：继续加入甜高粱糖液，空气流量提升至800～1200L/min；持续搅拌，1.5～2h开始将pH值控制在4.0±0.1，保持至发酵结束；发酵3～4h停止通气，继续加入甜高粱糖液，持续搅拌；发酵至6～7h停止加入甜高粱糖液；25～35h停止发酵；酵母分离回收活化：将发酵醪液中的酵母用碟片分离机分离，将分离出的酵母液用浓度为1％稀酸液浸泡处理，温度保持在32～35℃5min，备用；利用分离活化后的酵母重复步骤(7)至步骤(8)3～4次；

所述酵母为热带假丝酵母(Candida tropicalis)ZXNY-1，保藏编号为：CGMCC No.3889；

(9)将步骤(8)发酵成熟醪液进行乙醇蒸馏和乙醇脱水，最终制备成燃料乙醇；具体为：发酵成熟醪液进入粗馏塔进行蒸馏，粗馏塔将发酵醪液中乙醇含量蒸馏至60％(v/v)，经粗馏塔蒸馏后，乙醇含量60％的粗酒精溶液进入精馏塔进行精馏，精馏后的酒精溶液再经过分子筛脱水后得到乙醇含量99.5％的燃料乙醇。

2.根据权利要求1所述的利用甜高粱茎秆生产燃料乙醇的方法，其特征在于，所述步骤(2)中解冻方法为温度为75～80℃的水或相同温度的压榨后的甜高粱糖汁喷淋到已经撕裂和粉碎后的甜高粱茎秆上。

3.根据权利要求2所述的利用甜高粱茎秆生产燃料乙醇的方法，其特征在于，所述步骤(5)中压榨提汁利用五组三辊压榨机进行压榨，压辊压力13～15MP，渗透水添加量占茎秆重量20％～30％；渗透水温度75～80℃。

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