CN102220221B - 制备乙醇的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备乙醇的系统,该制备乙醇的系统包括薯类粉碎单元、制浆单元和发酵单元,所述制浆单元使用由薯类粉碎单元提供的粉碎产物制备浆料并将该浆料提供给所述发酵单元,其中,所述薯类粉碎单元包括粉碎装置和沉沙槽,所述粉碎装置和所述沉沙槽与所述制浆单元连接以提供薯类小颗粒,所述发酵单元包括与闪蒸塔的接口连通的连通器。本发明的制备乙醇的系统可以通过薯类粉碎单元在粉碎薯类块时进行连续除沙处理,并可以通过发酵单元避免管道阻塞的问题并大大提高酶解效率和发酵效率,从而保证制备乙醇的生产连续进行。

Description

制备乙醇的系统
技术领域
本发明涉及一种制备乙醇的系统。
背景技术
使用薯类(例如木薯)原料制备乙醇时,由于薯类原料的块根较大,因而需要进行粉碎处理,以破坏薯类原料的组织结构,从而使微小的淀粉颗粒能够从大的薯块中解体、分离出来,然后才能用于制备乙醇。但薯类块通常携带有沙粒,如果使用带有沙粒的薯类原料进行后续生产(例如发酵),会严重影响制备乙醇的生产效率,而且需要频繁清洁生产设备。现有技术中,为实现除沙目的,粉碎设备中通常包括旋流除沙机以进行除沙,这需要使用涡流式沉沙池、产生离心力的电机和变速箱等多个复杂部件,使得旋流除沙机的结构复杂。为保证除沙过程的离心力并使浆液在一定压力下流入除沙机,旋流除沙机通常在封闭条件下工作,从而不能进行连续的除沙工作,也不能实时监控除沙情况,而且旋流除沙机复杂的结构大大限制了每次工作能够处理的浆液的量,影响了乙醇的连续生产。
另外,发酵单元一般包括酶解罐和发酵罐,物料的酶解一般在酶解罐中进行,然后将得到的酶解产物在发酵罐中进行发酵,例如,将待酶解物料与产酶微生物和/或酶在酶解罐中混合进行酶解,然后将酶解产物送至发酵罐中进行发酵。所述酶解的条件包括酶解温度、时间和pH值,其中,酶解温度一般为使产酶微生物生长的温度和/或酶有活力的温度,因此,在酶解过程中,通常需要对酶解罐进行加热以达到酶解温度。最常见的酶解罐底部设置有保温加热器,在酶解前先启动保温加热器对酶解罐进行预热,达到酶解温度后,将待酶解物料与产酶微生物和/或酶加入到酶解罐中进行酶解。在采用现有的酶解装置进行酶解时,待酶解物料很容易将管道堵塞,同样影响乙醇的连续生产。
发明内容
本发明提供一种适于连续生产的制备乙醇的系统。
本发明的制备乙醇的系统包括薯类粉碎单元、制浆单元和发酵单元,所述制浆单元使用由薯类粉碎单元提供的粉碎产物制备浆料并将该浆料提供给所述发酵单元,其中,所述薯类粉碎单元包括第一输送装置、颗粒分级装置、第二输送装置、粉碎装置、第三输送装置、集料装置和沉沙槽,所述颗粒分级装置用于对来自第一输送装置的薯类原料进行分级,并将分级后得到的薯类大颗粒和包括薯类小颗粒与沙粒的小颗粒混合物分别通过第二输送装置和第三输送装置供给至粉碎装置和集料装置,集料装置连接所述沉沙槽,所述沉沙槽包括槽体、入口和出口,所述集料装置排出的小颗粒混合物或其与水形成的浆液通过所述沉沙槽的入口进入所述沉沙槽的槽体内,所述槽体包括侧壁和底部,所述出口设置在所述侧壁上,所述底部具有至少一个凸起部分和/或至少一个凹陷部分,所述粉碎装置和所述沉沙槽的出口与所述制浆单元连接以提供所述粉碎产物;所述发酵单元包括闪蒸塔、热源、酶解罐、物料源、真空泵和发酵罐,所述闪蒸塔包括第一接口、第二接口、第三接口和出料口,所述制浆单元与物料源连接以提供浆料,物料源通过第一接口与闪蒸塔连通,酶解罐与闪蒸塔的出料口连通,真空泵与闪蒸塔的第二接口连通,发酵罐与酶解罐连通,热源通过连通器与闪蒸塔的第三接口连通,且所述连通器的顶端高于闪蒸塔中待酶解物料的液面。
本发明的制备乙醇的系统可以通过薯类粉碎单元在粉碎薯类块时进行连续除沙处理,并可以通过发酵单元避免管道阻塞的问题并大大提高酶解效率和发酵效率,从而保证制备乙醇的生产连续进行。
附图说明
图1是本发明的制备乙醇的系统的流程示意图;
图2是本发明的制备乙醇的系统的薯类粉碎单元的结构示意图;
图3是本发明的制备乙醇的系统的薯类粉碎单元的沉沙槽的一种实施方式的截面视图;
图4是本发明的制备乙醇的系统的薯类粉碎单元的沉沙槽的另一种实施方式的截面视图;
图5是沉沙槽的喷射管的一种实施方式的示意图;
图6是本发明的制备乙醇的系统的发酵单元的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2和图6所示,本发明的制备乙醇的系统包括薯类粉碎单元、制浆单元和发酵单元,所述制浆单元使用由薯类粉碎单元提供的粉碎产物制备浆料并将该浆料提供给所述发酵单元,其中,所述薯类粉碎单元包括第一输送装置110、颗粒分级装置120、第二输送装置130、粉碎装置140、第三输送装置150、集料装置160和沉沙槽170,所述颗粒分级装置120用于对来自第一输送装置110的薯类原料进行分级,并将分级后得到的薯类大颗粒和包括薯类小颗粒与沙粒的小颗粒混合物分别通过第二输送装置130和第三输送装置150供给至粉碎装置140和集料装置160,集料装置160连接所述沉沙槽170,所述沉沙槽170包括槽体171、入口172和出口173,所述集料装置160排出的小颗粒混合物或其与水形成的浆液通过所述沉沙槽170的入口172进入所述沉沙槽170的槽体171内,所述槽体171包括侧壁174和底部175,所述出口173设置在所述侧壁174上,所述底部175具有至少一个凸起部分176和/或至少一个凹陷部分177,所述粉碎装置140和所述沉沙槽170的出口173与所述制浆单元连接以提供所述粉碎产物(混有薯类小颗粒的浆液和粉碎后的薯类大颗粒);所述发酵单元包括闪蒸塔210、热源220、酶解罐230、物料源240、真空泵250和发酵罐260,所述闪蒸塔210包括第一接口211、第二接口212、第三接口213和出料口214,所述制浆单元与物料源240连接以提供浆料,物料源240通过第一接口211与闪蒸塔210连通,酶解罐230与闪蒸塔210的出料口214连通,真空泵250与闪蒸塔210的第二接口212连通,发酵罐260与酶解罐230连通,热源220通过连通器270与闪蒸塔210的第三接口213连通,且所述连通器270的顶端高于闪蒸塔210中待酶解物料的液面。
下面分别说明薯类粉碎单元和发酵单元以及制备乙醇的系统的工作流程。
所述薯类粉碎单元中,第一输送装置110将薯类原料即各种粒径的薯类(例如木薯)颗粒和沙粒的混合物输送提供到颗粒分级装置120。其中,可以首先对薯类原料进行切片和/或清洗以得到薯类颗粒和沙粒的混合物。第一输送装置110可以为刮板输送机,所述刮板输送机包括传动装置、溜槽和封闭刮板链,薯类颗粒和沙粒的混合物放在溜槽内,在传动装置的带动下,封闭刮板链围绕传动装置运行,从而将放置在溜槽内的薯类颗粒和沙粒的混合物沿着刮板链的运行方向输送到后续加工设备即颗粒分级装置120中。
输送到颗粒分级装置120内的薯类颗粒包括粒度大于沙粒的粒度的薯类大颗粒和粒度小于或等于沙粒的粒度的薯类小颗粒。颗粒分级装置120能够根据颗粒的大小使输送到其中的薯类大颗粒和薯类小颗粒分离,从而将输送到颗粒分级装置120内的薯类颗粒与沙粒的混合物分为两部分,一部分是薯类大颗粒,另一部分是包括薯类小颗粒与沙粒的小颗粒混合物。颗粒分级装置120可以是各种类型的分级装置,优选为振动分级筛,从而选择网眼孔径不同的筛网以得到粒径不同的两部分薯类颗粒。由于薯类块的粒径较大,沙粒的粒径较小,可以选用直径在2mm以下的网眼的筛网,从而使得薯类大颗粒的粒径大于2mm,小颗粒混合物的粒径小于2mm。其中,薯类大颗粒是基本上不含沙粒的薯类块并通过第二输送装置130提供到粉碎装置140(如图2中单箭头所示);小颗粒混合物是沙粒和粒径较小的薯类粉的混合物并通过第三输送装置150提供到集料装置160和沉沙槽170以进行除沙操作(如图2中双箭头所示)。
第二输送装置130和第三输送装置150可以是能够输送固体颗粒的各种装置。优选地,第二输送装置130是传送带输送装置,用于将颗粒分级装置120得到薯类大颗粒输送到粉碎装置140内进行粉碎。
粉碎装置140可以为具有粉碎薯类功能的各种粉碎装置,例如,粉碎装置140可以是包括两个对置的辊以通过一边在辊之间加压一边使辊转动来破碎通过此之间的原料的辊式破碎机;或者是包括锤尖和筛网并通过使所述锤尖高速旋转对原料进行反复锤碎直到通过锤尖外围的筛网的网孔锤式破碎机;或者是包括呈V型开口的钳口和振动颚的颚式破碎机;或者是销式破碎机以及球式破碎机。在一种实施方式中,粉碎装置140为锤片式粉碎机,优选型号为JFS-2000-72的锤片式粉碎机,该锤片式粉碎机包括转子、锤片、筛板、驱动设备和控制设备,在运行过程中,通过控制设备控制锤片高速旋转,使锤片与物料进行摩擦,从而将物料粉碎至要求的颗粒尺寸范围。所述薯类粉碎单元的粉碎装置140优选能够提供粒径为1.8-2.5毫米的薯类粉。优选地,可以在粉碎过程中加水,从而便于粉碎并得到薯类粉浆液。
第三输送装置150优选为斗式提升机,该斗式提升机可以为能够将物料从较低位置笔直提升至较高位置的各种常规的斗式提升机。例如所述斗式提升机包括传动链轮、料斗和驱动辊,料斗安装在传动链轮上且所述料斗的载料面与传动链轮运动的线性方向垂直,传动链轮绕过驱动辊首尾相连,形成运送物料的闭合环路。由颗粒分级装置120得到的小颗粒混合物供给到所述料斗上,并利用传动链轮的连续运动输送到集料装置160内。
所述集料装置160可以是各种盛放物料的料斗,也可以是具有搅拌功能的螺旋输送机。集料装置160可以直接向沉沙槽170提供小颗粒混合物,并使该小颗粒混合物在沉沙槽170中随由其它装置提供的搅拌水流动,以实现除沙。但这种方式不利于控制小颗粒混合物与搅拌水的比例,使形成的流体流动性不一致。因此,优选情况下,集料装置160是具有搅拌功能的螺旋输送机,从而便于将小颗粒混合物与水混合的浆液输送到沉沙槽170。具体地,在集料装置160内,加入水以充分搅拌所述小颗粒混合物并使其形成浆液180,该浆液180能够继而流动到沉沙槽170中进行除沙。其中,对水的用量和搅拌时间没有特别限定,只要能得到流动性较好、粘稠度适中的浆液180即可。本发明的发明人发现,当水的质量约为薯类小颗粒和沙粒(即来自第三输送装置150的物料)的总质量的20-100倍,搅拌时间为0.5-2h时,可以得到流动性较好、粘稠度适中的浆液180,因此,本发明优选上述条件。
本发明中,第一输送装置110与颗粒分级装置120之间,颗粒分级装置120与第二输送装置130之间,第二输送装置130与粉碎装置140之间,粉碎装置140与第三输送装置150之间,第三输送装置150与集料装置160之间,以及集料装置160与沉沙槽170之间,各自可以通过管道连接或者不连接。例如,如图2所述,斗式提升机的进料口位于颗粒分级装置120的小颗粒混合物的出料口的正下方,斗式提升机的出料口位于集料装置160进料口的正上方。
沉沙槽170包括槽体171、入口172和出口173,集料装置160连接入口172以向沉沙槽170提供浆液180,槽体171包括侧壁174和底部175,所述出口173设置在侧壁174上,其中,底部175具有至少一个凸起部分176和/或至少一个凹陷部分177。
如图2所示,在沉沙槽170中,混合了薯类小颗粒、沙粒和水的浆液180在流动过程中,由于沙粒的密度相对于薯类小颗粒和水的密度较大而首先沉淀,在沉沙槽170的底部175上形成沙粒层182,而薯类小颗粒的密度较轻而悬浮在水中并随水流动。通过使携带有薯类小颗粒的水从出口173流出使得薯类小颗粒与沙粒分离,实现除沙。
其中所述槽体171可以是各种形状和结构,只要具有一定的容积且底部具有至少一个凸起部分176和/或至少一个凹陷部分177即可。例如,所述槽体171的外围截面(即平行于底部的截面)形状可以是矩形、圆形或椭圆形。所述沉沙槽各个外围截面的大小可以相同也可以不同,优选各个外围截面的大小相同或者沿朝向底部的方向,所述外围截面的大小逐渐减小,形成沿垂直于底部方向的截面(即图3中截面)的形状为敞口梯形的形状。
沉沙槽170中,入口172可以设置在任意能够使浆液180流入槽体171的位置,所述入口172可以是位于槽体171侧壁上的开口(如图3所示),也可以是放置在槽体171侧壁上或深入槽体内部的管道。为了不对沉积的沙粒层182造成干扰,进一步提高沉沙效果,优选所述入口172设置在槽体171的中上部或上方,进一步优选所述入口172的最上端与底部175之间的距离(本发明中所述的“与底部175之间的距离”均指与底部175的最下端之间的垂直距离)为槽体171该侧壁(设置有入口172的侧壁)的垂直高度的80-100%。进一步优选地,为了便于浆液180的流动,也为了有效提高除沙槽的沉沙效果,所述入口172和出口173分别设置在两个相对的侧壁174上,特别是当所述沉沙槽的截面(图3和图4所示的截面)为矩形或梯形时,进一步优选所述入口172和出口173分别设置在距离较远的两个相对的侧壁174上,这样,在其它条件如沉沙槽170的大小相同、浆液180流速相同的情况下可以获得较长的沉沙分离时间,从而有效提高除沙效果。所述入口172和出口173的大小可以根据实际需要来确定。
所述出口173可以设置在任意能够使浆液180流出槽体171的位置,优选如上所述,所述出口173设置在与入口172所在侧壁相对的侧壁上。为了有效使沉积的沙粒层182留在槽体171内,进一步提高沉沙效果,优选所述出口173设置在槽体171的中上部或上方,进一步优选所述出口173的最下端与底部175之间的距离为槽体171该侧壁(设置有出口173的侧壁)的垂直高度的50-95%。进一步优选情况下,所述出口173的最上端与底部175之间的距离小于所述入口172的最下端与底部175之间的距离,这样出口173形成类似于溢流堰的形式。
优选地,出口173可以包括挡板,并通过挡板调节出口173的位置和大小。具体地,通过用挡板遮盖出口173的下部,可以调节出口173的最下端与底部175之间的距离,还可以调节出口173的大小。显然,也可以在出口173所在的侧壁174上形成从侧壁174的顶部向下贯穿到侧壁174的底部的开口,使用多个挡板遮蔽该开口的一部分可以形成出口173,通过调节多个挡板的位置,可以自由调节出口173的位置和大小。
出口173与底部175之间的距离可调节,一方面,在沙粒较多而在出口173所在的侧壁174堆积时,调高出口173的位置能够防止沙粒溢出;另一方面,当薯类小颗粒也因自身密度大而发生沉淀时,根据浆液180的流速不同,薯类小颗粒随水流动到出口173所在的侧壁174时,薯类小颗粒在槽体171中的高度不同,由于沉沙槽170只能允许出口173所在的高度以上的水和薯类小颗粒流出,通过减小出口173与底部175之间的距离,可以允许尽可能多的薯类小颗粒随水流出。
本发明中,为了防止沙粒沉积形成的沙粒层182在其上方流动的水流的影响下发生沿流动方向的移动,从而积聚在出口173所在的侧壁174上,或者在堆积过多时从出口173溢出,如图3和图4所示,沉沙槽170的槽体171的底部175具有至少一个凸起部分176和/或至少一个凹陷部分177。优选地,底部175具有多个凸起部分176和/或多个凹陷部分177,该多个凸起部分176和/或多个凹陷部分177沿从入口172到出口173的方向排列,即沿浆液180的流动方向排列。
沙粒层182沉积在槽体171的底部上,当沙粒层182受到其上方的水流的影响而沿流动方向移动时,沙粒会移动到凹陷部分177中或被凸起部分176阻挡而不能继续沿流动方向移动。即使沙粒一开始沉积在凸起部分176的最上端,这部分沙粒也会随其上方的水流移动,继而沉积在凹陷部分177的最下端。因此,沙粒层182基本上不会移动到出口173所在的侧壁174,从而防止沙粒堆积到出口173并从出口173溢出。
如图3所示,为了进一步防止沙粒层182受到上方的水流的流动影响,在图3所示的截面上,即纵向截面(平行于从入口172到出口173的方向并垂直于水平面的截面),凸起部分176和凹陷部分177形成为梯形。当然,凸起部分176和凹陷部分177还可以形成为任意能够有助于阻挡沙粒层182沿流动方向移动的形状,例如波浪形、三角形等。优选地,凸起部分176和凹陷部分177形成为具有与水平面呈30-60°的斜面,从而有利于阻挡沙粒沿流动方向移动。
当然,沉沙槽170的底部175也可以具有一个凹陷部分177(如图4所示),或者具有一个凸起部分176。底部175具有一个凸起部分176或一个凹陷部分177时,可以适当增大凸起部分176和凹陷部分177的尺寸。如图4所示,凹陷部分177中能够容纳的沙粒的量相当于图3中各个凹陷部分177能够容纳的沙粒的量的总和。
为了能够有效地容纳沙粒并防止沙粒自由移动,优选地,凸起部分176和/或凹陷部分177沿流动方向设置在底部175的中后部。当所述底部175具有多个凸起部分176和/或凹陷部分177,且该多个凸起部分176和/或凹陷部分177沿流动方向排列设置在底部175的中后部。其中,凸起部分176和凹陷部分177所占的底部175的面积百分比为40-60%。所述凸起部分176的最上端与底部175之间的距离不大于出口173的最下端与底部175之间的距离,进一步优选底部175的高度起伏(底部175的最上端与最下端之间的垂直距离)与出口173所在的侧壁174的高度之比为1∶5-1∶3。所述凸起部分176可以与槽体底部175一体形成,也可以为固定在底部175的挡板。所述凹陷部分177可以与槽体底部175一体形成,也可以是多个凸起部分176之间的凹槽。
当薯类小颗粒完全漂浮在水面上时,该薯类小颗粒基本上能够通过流出出口173而得到收集,但也会有一部分薯类小颗粒受到沙粒的阻碍而随沙粒沉淀到沙粒层182。此外,因为薯类小颗粒的密度较大,薯类颗小粒在水中也会下沉。在这种情况下,如果流速不够,水流动到出口173所在的侧壁174时,一些薯类小颗粒可能也沉淀到出口173的位置下方,不能从出口173流出,并进而沉积到沙粒层182的表层,从而造成浪费。
为解决该问题,优选地,沉沙槽170包括能够喷射气流和/或水流的喷射装置。该喷射装置设置在沙粒层182的上方并可以朝沙粒层182的表层喷射气流和/或水流,从而驱动沉积到沙粒层182的表层的薯类小颗粒重新悬浮在水中,并随沙粒层182上方的水流出出口173。在该过程中,喷射装置可以喷射适当强度的气流和/或水流,使得沙粒层182的表层中的薯类小颗粒漂浮到远离沙粒层182的位置,虽然这可能会使沙粒层182中的一些沙粒也漂浮起来,但沙粒会因为密度大而迅速下沉,因此基本上不会被水流带走。
具体地,如图3所示,喷射装置包括至少一个喷射管178。每个喷射管178各自包括管体和位于管体上的多个孔P,气流和/或水流通过孔P喷射。显然,可以使用各种泵或抽吸装置使孔P喷射气流和/或水流。
每个喷射管178可以设置为横跨沉沙槽170的两个相对的侧壁,例如,可以沿沉沙槽170的横向平行设置,或者如图3所示的一种实施方式那样沿沉沙槽170的纵向平行设置,也可以沿与横向和纵向呈预定的角度平行设置。当然,喷射管178也可以交叉设置。每个喷射管178上可以设置多个孔P,根据喷射管178的布置,每米的管体上优选具有10个孔,孔的直径可以为3-6mm。
由于除砂操作的连续性,沉砂槽170内沉积的砂粒层182的厚度可能不同,为使喷射管178始终设置在砂粒层182的上方,优选地,喷射管178的管体与底部175之间的距离可调节。例如,可以在喷射管178横跨的两个侧壁中的至少一个上设置滑道,喷射管178的至少一个端部可以设置在该滑道内并沿该滑道滑动,从而能够沿所述两个侧壁的垂直高度方向调节喷射管178与底部175之间的距离。
优选地,孔P设置为对准凹陷部分177和/或凸起部分176与入口172和/或出口173所在的侧壁之间形成的凹槽。也就是,当底部175具有凹陷部分177(包括与底部175一体形成的凹陷和两个凸起部分176之间形成的凹槽)时,孔P对准凹陷部分177;当底部只具有一个凸起部分176时,孔P对准凸起部分176与入口172和/或出口173之间的凹槽。
喷射管178的孔P优选设置为朝向沙粒层182的表层喷射,因此,孔P优选设置为朝向底部175喷射。更优选地,孔P设置为沿与浆液180的流动方向或水平面呈角度A向下喷射,即孔P的轴线与水平面呈角度A向下喷射,角度A优选为30-60°,从而在沙粒层182的较大范围内驱动薯类小颗粒,同时避免使沙粒也漂浮起来。如图3和图5所示,喷射管178沿沉沙槽170的横向(图5中实心箭头所示为流动方向,流动方向为纵向)设置,孔P设置为倾斜于水平方向向下45°(图5中空心箭头所示)喷射。
将喷射管178设置在出口173附近有利于薯类小颗粒被喷射的气流和/或水流吹动并迅速被水流带走,但设置在出口173附近的喷射管178喷射的气流或水流的速度要控制在适当范围,避免将沙粒也吹动带走,例如1m/s。此外,还可以在远离出口173的位置设置喷射管178,在这种情况下,喷射管178可以提供较大强度的气流和/或水流,例如3m/s。
在本发明的实施方式中,为了实现连续的除沙操作,可以采用各种方法使浆液180或水流动,例如可以使用泵或其它抽吸装置或利用浆液180的势能使浆液180从入口172流入,并继而使水携带薯类小颗粒从出口173流出。优选地,可以通过泵控制浆液180的流动速度,通过加快流速可以进一步防止薯类小颗粒发生沉淀。
由于沉沙槽170的上部相对“开放”,因此便于监控,以调节得到最佳的流速和出口173的高度。
显然,所述沉沙槽170也可以实现封闭式的除沙操作。但封闭式操作仅限于分离出能够完全漂浮在水中的薯类小颗粒。在封闭式除沙操作时,可以使浆液180在沉沙槽170内静置预定的时间以使沙粒完全沉淀到底部175,然后使漂浮在水中的薯类小颗粒随水流导出沉沙槽170,类似地,在封闭式除沙操作时,也可以在沉沙槽170中设置喷射装置,从而避免薯类小颗粒受到沙粒的阻碍而沉积到沙粒层182,造成浪费。
本发明的薯类粉碎单元,不仅能够使薯类粉碎为所需的颗粒尺寸,而且具有结构简单的除沙设备并能够实现连续式除沙操作,而且操作过程相对开放便于监控。
当所述沉沙槽170用于分离薯类和沙粒时,所述浆液180中,水的重量优选为薯类和沙粒的总重量的20-100倍。所述沉沙槽170的槽体为长方体,所述沉沙槽170的垂直高度优选为0.8-0.9m,所述底部175的凸起部分176和凹陷部分177的高度优选为0.1-0.3m,所述凸起部分176和凹陷部分177优选占所述底部175面积的40-60%。所述沉沙槽170的入口172与出口173所在侧壁174之间的距离优选为5-7m,所述出口173与底部之间的距离优选为0.4-0.85m,所述入口172与底部之间的距离优选为0.3-0.5m,且所述入口172贯通到所述入口所在侧壁的顶部,从而使所述浆液180通过所述入口172和所述出口173之间的落差以3-10m/s的流速自然流动。所述喷射装置喷射的气流或水流的流速优选为2-4m/s。使用所述沉沙槽170进行多次重复的除沙操作可以得到更好的除沙效果,使用所述沉沙槽170分离薯类和沙粒时,使浆液180在沉沙槽170内重复流动3-5次可以除去95%的沙粒,因而所述粉碎产物中不再掺杂有沙粒。
通过沉沙槽170得到的薯类小颗粒和通过粉碎装置140得到的薯类粉的粒度相当,粉碎产物包括从沉沙槽170和粉碎装置140的出口导出的产物,即通过沉沙槽170得到的包括薯类小颗粒的浆液和通过粉碎装置140得到的薯类粉或薯类粉浆液。根据本发明,用于制备乙醇的浆料是通过使所述粉碎产物与适当比例的水混合而形成,所述发酵单元使用该浆料制备乙醇。因此,为了向所述发酵单元提供所述粉碎产物,可以采用如下方式:通过在粉碎装置140中加水粉碎,从而得到薯类粉浆液,然后收集该薯类粉浆液和通过沉沙槽170得到的包括薯类小颗粒和水的浆液(即粉碎产物)并使该两部分浆液在适当的制备浆液的设备中加水搅拌,从而得到适于提供到所述发酵单元中的浆料。
具体地,可以使粉碎装置140和沉沙槽170的出口与所述制浆单元连接以供料。所述制浆单元将制得的浆料提供给所述发酵单元以进行后续制备乙醇的操作。所述制浆单元可以使用各种本领域技术人员公知的混合搅拌设备,薯类颗粒和水的混合比例也是本领域公知的。
所述薯类原料可以为各种薯类原料,如红薯、马铃薯、木薯等,本发明的具体实施方案中采用的薯类原料为木薯。由于薯类原料中可能会含有泥土、沙石杂质以及铁杂质,会对去皮设备造成损害,因此,按照本发明的方法,还可以包括去皮之前对薯类原料进行预处理的常规操作,所述预处理的步骤一般包括除去杂质和清洗的步骤。如,在鲜木薯采收后,除去木薯上的泥土、根、须及木质部分以及砂石等杂质。并对木薯进行清洗,所述清洗的方法和设备为本领域技术人员所公知。如果采用鲜木薯,在粉碎前可以将鲜木薯(经颗粒分级装置120分级处理后的薯类大颗粒)与水混合,也可以不与水混合而直接粉碎;如果采用干木薯,通常需要在粉碎前将干木薯(经颗粒分级装置120分级处理后的薯类大颗粒)与水混合,所述水的用量只要保证将干木薯粉碎后能够得到淀粉浆液即可,一般情况下,所述木薯与水的重量比可以为1∶0.2-5,优选为1∶0.5-2。所述薯类原料也可以为鲜木薯与干木薯的混合物。所述干木薯与鲜木薯的重量没有特别限定,通常情况下,所述干木薯与鲜木薯的重量比可以为1∶1.5-2.5,优选为1∶1.5-2。
所述发酵单元中,所述酶解罐230与闪蒸塔210的出料口214连通,真空泵250与闪蒸塔210的第二接口212连通,发酵罐260与酶解罐230连通,热源220通过连通器270与闪蒸塔210的第三接口213连通。热源220中的热介质的温度可以达到130℃左右。将待酶解物料(即通过所述制浆单元制得的浆液)从物料源240输送至闪蒸塔210中之前、同时或之后启动真空泵250,将闪蒸塔210抽真空,当闪蒸塔210中达到一定真空度时热介质可以被从热源220中吸入闪蒸塔210中,待酶解物料通过第一接口211从物料源240中被输送至闪蒸塔210中,使待酶解物料与热介质在闪蒸塔210中接触并进行热交换,起到使待酶解物料加温的作用,当待酶解物料达到酶解温度时,物料被直接通入酶解罐230中进行酶解,酶解结束后将酶解产物直接通入发酵罐260中进行发酵。
由于真空泵250在工作过程中的不稳定性或者在不规范地操作真空泵的情况下,当闪蒸塔210中的真空度不能达到吸入热介质的条件时,闪蒸塔210中的待酶解物料有被倒吸入连通器270中的趋势,如果连通器270的顶端低于或者与闪蒸塔210中的待酶解物料的液面齐平,则闪蒸塔210中的待酶解物料会被倒吸入连通器270中,从而造成管路堵塞。而根据所述发酵单元提供的酶解装置,由于连通器270的顶端高于闪蒸塔210中待酶解物料的液面,且闪蒸塔210中的压力小于热源220中的压力,使得闪蒸塔210中的压力不足以将待酶解物料倒吸入闪蒸塔210与热源220连通的管道中,而由于物料自身的重力作用,被倒吸入连通器270中的待酶解物料还未能到达连通器的顶端就会重新回流到闪蒸塔210中,从而避免了物料被倒吸入管道,产生使管道阻塞的问题。优选情况下,为了便于使用,所述连通器270的顶端高于闪蒸塔210的顶端,所述连通器270的顶端与闪蒸塔210的顶端之间的高度差可以为1-2.5米,更优选为1.5-2米。由于弯形管连通器不容易产生死角,而且能够使物料流动的更顺畅,优选情况下,所述连通器270为弯形管,例如,所述弯形管的形状可以为倒置的U形管或者蛇形管。考虑到生产成本,根据一种具体实施方案,所述连通器270进一步优选为倒置的U形管,所述倒置的U形管的顶端与闪蒸塔210的顶端的高度差可以为1-2.5米,优选为1.5-2米。
所述连通器270的材质可以由各种具有一定强度以及耐热的材料制成,例如,铁、不锈钢等材料。
为了更有利于热蒸汽对待酶解物料的加温作用,优选使热源220中的热介质与待酶解物料在闪蒸塔210中逆流接触,即,使通入待酶解物料的第一接口211的位置低于通过连通器270将热源220与闪蒸塔210连通的第三接口213的位置。
为了便于控制与待酶解物料接触的热蒸汽的量以控制待酶解物料的温度以及便于控制待酶解物料的通入量以控制闪蒸塔210中待酶解物料的液位,连通器270与闪蒸塔210的第三接口213之间、连通器270与热源220之间以及物料源240与第一接口211之间的任意一处或几处还设置有阀门。
为了便于控制酶解产物的通入量,发酵罐260与酶解罐230之间还可以设置有阀门。
所述闪蒸塔210可以为本领域常规的各种闪蒸塔,例如,可以为各种常用的填料塔或筛板塔。所述闪蒸塔210的塔板数或理论塔板数取决于希望达到的热交换程度。通常,在其它条件相同的情况下,塔板数或理论塔板数越高,热交换的程度越高,也就是说热介质的热量越能充分传递给待酶解物料。本发明的发明人研究发现,对于待酶解物料为30-40℃的淀粉浆液,热介质为100-170℃的水蒸气时,闪蒸塔210的塔板数或理论塔板数优选为2-6块,在该条件下即可使从闪蒸塔210排出的待酶解物料的温度在50-90℃,满足酶解要求。
所述填料塔装填有拉西环、鲍尔环、阶梯环、鞍型环、弧鞍型、矩鞍型、θ网环、压延孔环、板波纹与网波纹规整填料中的一种或几种。所述筛板塔的筛板优选还具有溢流堰,这样,热介质从筛板塔的底部穿过筛板上的筛孔向上流动,待酶解物料在筛板上停留至超过溢流堰的高度时向下流动,进入下一个筛板。为了进一步提高热交换效率,第一接口211的位置设置在填料塔或筛板塔的第0块或第1块塔板处,第三接口213的位置设置在填料塔或筛板塔的最后一块塔板处或更靠塔底的位置。
另外,闪蒸塔210上还可以设置有温度测试单元,以随时监测待酶解物料在闪蒸塔210中的温度,当闪蒸塔210中待酶解物料的温度达到酶解条件时,便可以将它输送至酶解罐230中进行酶解。此外,闪蒸塔210上还可以设置有液位测试单元,以监测疏送至闪蒸塔210中待酶的解物料的液位。
所述闪蒸塔210的表压可以为-0.3至-0.01兆帕,优选为-0.1至-0.05兆帕;在闪蒸塔210中接触的待酶解物料与热介质的重量比可以为15-30∶1;接触的时间只要保证待酶解物料能够达到酶解温度即可,一般情况下,所述接触时间可以为5-10分钟。
所述热源220可以提供水蒸汽、热水等各种热介质,例如,所述热源220可以为输送各种热介质的管道,也可以为储存各种热介质的容器。
为了节省能源、使能源能够被循环重复利用,所述热源220优选为其它工段产生的热介质,如从精馏工段中排出的废蒸汽、热水等。
在将热源220中的热介质与待酶解物料在闪蒸塔210中接触时,为了保证热介质的用量,所述热源220优选为可以储存各种热介质的容器,以在接触前将热介质暂时保存在容器中,所述热介质的温度一般为100-170℃。
所述酶解罐230可以为本领域常规的各种酶解罐,例如碳钢材质250立方米的带搅拌装置的容器。为了监控酶解温度,所述酶解罐230上也可以设置有温度测试单元。
所述发酵罐260可以为本领域常规的各种发酵罐。为了监控发酵温度,所述发酵罐260上也可以设置有温度测试单元。
所述真空泵250的个数可以为一个也可以为并联连接的多个,只要能够满足能够使闪蒸塔210达到真空度的要求即可。对使真空泵250与闪蒸塔210连通的第二接口212的位置也没有特别限定,可以位于闪蒸塔210的任何位置,优选在闪蒸塔210的中部或中上部。
所述热源220提供的热介质在闪蒸塔210中以蒸气的形式与待酶解物料进行热交换后,可以直接将剩余的热蒸汽从闪蒸塔210中排出塔外,为了达到环保要求,该装置还可以包括冷凝器280,所述冷凝器280可以与闪蒸塔210的上部连通,使与待酶解物料接触后的闪蒸塔210中的蒸汽被输送至冷凝器280中,冷凝成水,以便于在其它工段中应用。因此,当所述酶解装置还包括冷凝器280且所用热介质为热的水蒸气或热水时,所述酶解装置进行酶解时在实现酶解的同时还能副产蒸馏水。优选情况下,为了便于操作,所述冷凝器280与闪蒸塔210的顶部连通。所述冷凝器280可以为本领域常规的各种冷凝器,例如列管式冷凝器。
下面将参考图6对所述发酵单元进行进一步详细描述。
实施例1
本实施例用于说明本发明的发酵单元及其使用方法。
使用图6所示的发酵单元制备乙醇。所述发酵单元包括闪蒸塔210、热源220、酶解罐230、物料源240、真空泵250、发酵罐260和冷凝器280,所述闪蒸塔210包括第一接口211、第二接口212、第三接口213和出料口214,物料源240通过第一接口211与闪蒸塔210连通,酶解罐230与闪蒸塔210的出料口214连通,真空泵250与闪蒸塔210的第二接口212连通,发酵罐260与酶解罐230连通,冷凝器280与闪蒸塔210的顶部连通,热源220通过倒置的U形管与闪蒸塔210的第三接口213连通,所述倒置的U形管的顶端高于闪蒸塔210的顶端,倒置的U形管与闪蒸塔210的顶端的高度差为2.5米。闪蒸塔210的塔板数为6块,从上往下,第一接口211和第三接口213分别位于闪蒸塔210的第1块和第6块塔板处。
开启真空泵250将闪蒸塔210抽真空,使得闪蒸塔210的表压为-0.1兆帕,开启热源220与闪蒸塔210之间的阀门,使热源220中的温度为150℃的水蒸汽被吸入闪蒸塔210中,同时开启物料源240的阀门,使通过第一接口211将温度为30℃淀粉浆液从物料源240输送至闪蒸塔210中,并使淀粉浆液与水蒸汽在闪蒸塔210中接触,水蒸汽与淀粉浆液的重量比为25∶1,接触的时间为5分钟,此时通过闪蒸塔210上设置的温度监控设备监测淀粉浆液的温度升高至55℃,将95千克淀粉浆(淀粉含量为26.6千克)液通过出料口214输送至酶解罐230中与淀粉酶混合进行酶解,酶解的时间为60分钟,所述酶解的pH值为5;以每克淀粉浆液的干重计,加入20酶活力单位的α-淀粉酶(诺维信公司购得);开启冷凝器280的电源将闪蒸塔210中剩余的水蒸汽抽出并冷凝成水;酶解结束后,将酶解产物通入发酵罐中进行发酵,发酵温度为33℃,以每克酶解产物的重量计,接种105菌落形成单位的酒精酵母(安琪超级酿酒高活性干酵母,湖北安琪酵母股份公司),所得混合物在33℃下于发酵罐中搅拌培养65小时,在100℃蒸馏所得发酵产物,得到乙醇14.05千克。可以参考CN 101289674A公开的方法测定乙醇的产率。

Claims (23)

1.一种制备乙醇的系统,该制备乙醇的系统包括薯类粉碎单元、制浆单元和发酵单元,其特征在于,所述薯类粉碎单元包括第一输送装置(110)、颗粒分级装置(120)、第二输送装置(130)、粉碎装置(140)、第三输送装置(150)、集料装置(160)和沉沙槽(170),所述颗粒分级装置(120)用于对来自第一输送装置(110)的薯类原料进行分级,并将分级后得到的薯类大颗粒和包括薯类小颗粒与沙粒的小颗粒混合物分别通过第二输送装置(130)和第三输送装置(150)供给至粉碎装置(140)和集料装置(160),集料装置(160)连接所述沉沙槽(170),所述沉沙槽(170)包括槽体(171)、入口(172)和出口(173),所述集料装置(160)排出的小颗粒混合物或其与水形成的浆液(180)通过所述沉沙槽(170)的入口(172)进入所述沉沙槽(170)的槽体(171)内,所述槽体(171)包括侧壁(174)和底部(175),所述出口(173)设置在所述侧壁(174)上,所述底部(175)具有至少一个凸起部分(176)和/或至少一个凹陷部分(177),所述粉碎装置(140)和所述沉沙槽(170)的出口(173)与所述制浆单元连接;所述发酵单元包括闪蒸塔(210)、热源(220)、酶解罐(230)、物料源(240)、真空泵(250)和发酵罐(260),所述闪蒸塔(210)包括第一接口(211)、第二接口(212)、第三接口(213)和出料口(214),所述制浆单元与物料源(240)连接以提供浆料,物料源(240)通过第一接口(211)与闪蒸塔(210)连通,酶解罐(230)与闪蒸塔(210)的出料口(214)连通,真空泵(250)与闪蒸塔(210)的第二接口(212)连通,发酵罐(260)与酶解罐(230)连通,热源(220)通过连通器(270)与闪蒸塔(210)的第三接口(213)连通,所述连通器(270)的顶端高于闪蒸塔(210)的顶端,所述连通器(270)的顶端与闪蒸塔(210)的顶端之间的高度差为1-2.5米。
2.根据权利要求1所述的制备乙醇的系统,其中,所述沉沙槽(170)的入口(172)和所述出口(173)设置在相对的两个所述侧壁(174)上。
3.根据权利要求2所述的制备乙醇的系统,其中,所述沉沙槽(170)的底部(175)具有多个凸起部分(176)和/或多个凹陷部分(177),且该多个凸起部分(176)和/或多个凹陷部分(177)沿从所述入口(172)到所述出口(173)的方向排列。
4.根据权利要求2或3所述的制备乙醇的系统,其中,所述凸起部分(176)和/或多个凹陷部分(177)的纵向截面为三角形或梯形,所述纵向截面平行于从所述入口(172)到所述出口(173)的方向并垂直于水平面。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的制备乙醇的系统,其中,所述沉沙槽(170)还包括挡板,通过该挡板能够调节所述出口(173)的大小和所述出口(173)与所述底部(175)之间的距离。
6.根据权利要求1所述的制备乙醇的系统,其中,所述沉沙槽(170)还包括喷射装置。
7.根据权利要求6所述的制备乙醇的系统,其中,所述喷射装置包括至少一个喷射管(178),每个喷射管(178)各自包括管体和位于管体上的多个孔。
8.根据权利要求7所述的制备乙醇的系统,其中,所述喷射管(178)为多个,各自设置在所述沉沙槽(170)的槽体(171)内,并横跨所述沉沙槽(170)的相对的两个所述侧壁(174)。
9.根据权利要求7或8所述的制备乙醇的系统,其中,所述喷射管(178)的管体与所述底部(175)之间的距离可调节。
10.根据权利要求7所述的制备乙醇的系统,其中,所述孔设置为对准所述凹陷部分(177)和/或所述凸起部分(176)与所述入口(172)和/或出口(173)所在的侧壁之间形成的凹槽。
11.根据权利要求7所述的制备乙醇的系统,其中,所述孔朝向底部,且孔的轴线与水平面呈30-60度角。
12.根据权利要求1所述的制备乙醇的系统,其中,所述颗粒分级装置(120)为分级筛,所述分级筛的筛网的网眼直径为2mm。
13.根据权利要求1所述的制备乙醇的系统,其中,所述第一输送装置(110)为刮板输送机,所述第二输送装置(130)为输送皮带,所述第三输送装置(150)为斗式提升机。
14.根据权利要求1所述的制备乙醇的系统,其中,所述粉碎装置(140)能够提供颗粒直径为1.8-2.5mm的颗粒。
15.根据权利要求1所述的制备乙醇的系统,其中,所述集料装置(160)为具有搅拌功能的螺旋输送机。
16.根据权利要求1所述的制备乙醇的系统,其中,所述连通器(270)为弯形管。
17.根据权利要求16所述的制备乙醇的系统,其中,所述弯形管为倒置的U形管或蛇形管。
18.根据权利要求1所述的制备乙醇的系统,其中,第一接口(211)的位置高于第三接口(213)的位置。
19.根据权利要求1所述的制备乙醇的系统,其中,下述任意一个或几个位置还设置有阀门:连通器(270)与闪蒸塔(210)的第三接口(213)之间、连通器(270)与热源(220)之间、物料源(240)与第一接口(211)之间以及酶解罐(230)与发酵罐(260)之间。
20.根据权利要求1或19所述的制备乙醇的系统,其中,所述闪蒸塔(210)为填料塔或筛板塔。
21.根据权利要求1所述的制备乙醇的系统,其中,所述酶解罐(230)和发酵罐(260)为带搅拌装置的容器。
22.根据权利要求1所述的制备乙醇的系统,其中,所述制备乙醇的装置还包括冷凝器(280),所述冷凝器(280)与闪蒸塔(210)的上部连通。
23.根据权利要求22所述的制备乙醇的系统,其中,所述冷凝器(280)与闪蒸塔(210)的顶部连通。
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