CN102220378B - 制备乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制备乙醇的方法,该方法包括将薯类原料粉碎,将粉碎产物与酶混合并在一种酶解装置中进行酶解,得到酶解产物;发酵该酶解产物,其中,粉碎薯类原料包括将薯类颗粒与沙粒的混合物粉碎、分离为薯类小颗粒和沙粒的步骤;所述酶解装置包括闪蒸塔、热源、酶解罐、物料源和真空泵,所述闪蒸塔包括第一接口、第二接口、第三接口和至少一个出料口,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,热源与闪蒸塔的第三接口连通。本发明的方法能够实现连续生产且节约能源。

Description

制备乙醇的方法
技术领域
本发明涉及制备乙醇的方法。
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,现有的利用薯类原料特别是薯类制备乙醇的方法一般包括先将薯类原料粉碎,将粉碎产物和水混合得到的浆料与酶混合进行酶解,将得到的酶解产物进行发酵。浆料的酶解一般在酶解罐中进行,例如,将浆料与产酶微生物和/或酶在酶解罐中混合,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,将浆料与产酶微生物和/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,对酶解罐进行加热需要耗费大量的电能,成本较高,不利于节约能源。
发明内容
本发明提供一种适于连续生产、提高酶解效率的制备乙醇的方法。
本发明的制备乙醇的方法包括将薯类颗粒与沙粒的混合物分离为薯类大颗粒和包括薯类小颗粒与沙粒的小颗粒混合物;粉碎所述薯类大颗粒,得到粉碎产物;使所述小颗粒混合物随溶剂流动,并使所述沙粒在流动过程中沉积形成沙粒层,所述薯类小颗粒则与水一起继续流动形成浆液;混合所述粉碎产物和所述浆液以形成浆料;将所述浆料在一种酶解装置中进行酶解,得到酶解产物;发酵该酶解产物;所述酶解装置包括闪蒸塔、热源、酶解罐、物料源和真空泵,所述闪蒸塔包括第一接口、第二接口、第三接口和至少一个出料口,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,热源与闪蒸塔的第三接口连通;将浆料与酶混合并在一种酶解装置中进行酶解的方法包括通过第一接口将浆料从物料源输送至闪蒸塔中,真空泵使闪蒸塔内形成负压,使热源中的热介质被吸入闪蒸塔中,并使浆料与热介质在闪蒸塔中接触,使浆料的温度升高,然后将该温度升高后的浆料通过出料口输送至酶解罐中与酶混合进行酶解。
本发明的制备乙醇的方法可以在粉碎薯类原料时进行连续除沙处理,并且,本发明的发明人巧妙地利用其它工段产生的热介质,如从精馏工段中排出的废蒸汽、热水等作为热源用于与浆料在闪蒸塔中混合进行热交换,以起到为浆料加温的作用,而取代了在酶解时给酶解罐进行加热的装置。不但降低了成本,还使能源能够被循环重复利用,节省了能源,同时还大大提高了酶解效率。
附图说明
图1是本发明的制备乙醇的方法的流程示意图;
图2是发明的制备乙醇的方法采用的薯类粉碎设备的结构示意图;
图3是发明的制备乙醇的方法采用的薯类粉碎设备的沉沙槽的一种实施方式的截面视图;
图4是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方法采用的酶解装置的结构示意图;
图7是本发明的制备乙醇的方法采用的另一种酶解装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,可以使用粉碎设备粉碎薯类原料,然后使用制备浆料的设备通过由薯类粉碎设备提供的薯类小颗粒和薯类粉制备浆料并将该浆料提供给制备乙醇的设备,以制备乙醇。
如图2所示,所述薯类粉碎设备包括第一输送装置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的薯类颗粒进行分级,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。
第一输送装置110将各种粒径的薯类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得到的粒径较大的薯类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、驱动系统和控制系统,在运行过程中,通过控制系统控制锤片高速旋转,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。所述薯类粉碎设备的粉碎装置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得到的小颗粒部分(包括薯类小颗粒和沙粒的混合物)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180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。
如图3所示,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设置在侧壁上,浆液180从入口172流入沉沙槽170内,薯类小颗粒和沙粒在槽体171内流动的过程中因密度不同而表现不同。沙粒的密度较大,沉淀速度快并首先在槽体171的底部上沉积形成沙粒层182,薯类小颗粒悬浮在水中并随水流动到出口173,出口173所在的水平面以上的水携带其中的薯类小颗粒从出口173流出,从而实现薯类小颗粒与沙粒的分离。
由于沙粒沉积形成的沙粒层182容易在其上方流动的水的影响下发生平行于流动方向的移动,从而积聚在出口173所在的侧壁上,如果堆积过多,会从出口173溢出。因此,本发明的方法还可以包括防止沙粒层182平行于浆液180的流动方向自由移动。
优选地,为防止沙粒层182平行于浆液180的流动方向自由移动,本发明可以通过使浆液180在流动过程中通过垂直于其流动方向的障碍物。优选地,该障碍物的高度高于沙粒层182的高度,低于浆液180的液面高度。具体地,槽体171的底部175可以具有凸起部分176和/或凹陷部分177。由于沙粒在浆液180的流动过程中沉积,优选地,如图3所示,底部175具有多个凸起部分176和/或多个凹陷部分177,并设置为在槽体171的底部175上沿从入口172到出口173排列。
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。
沙粒层182沉积在槽体171的底部175上,当沙粒层182受到其上方的水流动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,从而防止沙粒堆积到出口173并从出口173溢出。其中,凸起部分176的高度或凹陷部分177的深度(即底部175的垂直高度的起伏)大于沙粒层182的高度,浆液180的液面高于凸起部分176的高度。优选地,浆液180在沉沙槽170内流动时,使凸起部分176或凹陷部分177的最上端与浆液180的液面高度差保持为0.1-0.5m,从而有效地防止沙粒层182的自由移动并尽可能不妨碍浆液180的流动。
在上述过程中,由于薯类小颗粒也以相对于沙粒较慢的速度沉淀,当浆液180的流速较慢时,一定量的薯类小颗粒会在流动到出口173之前沉淀到沙粒层182,从而无法随水从出口173流出而滞留在沉沙槽170内,造成很多浪费。另外,在浆液180流动时,薯类小颗粒可能受到沙粒沉淀的影响而随沙粒沉积并夹杂在沙粒层182中,这样也会造成很多浪费。
为解决该问题,可以根控制浆液180的流速,使得浆液180从入口172流动到出口173时,沙粒基本上沉淀到底部175上形成沙层,并确保薯类小颗粒沉淀到出口173所在的水平面的上方,即能够从出口173流出。
此外,本发明的方法还可以包括:搅动沙粒层182,使夹杂在沙粒层182中的薯类小颗粒漂浮并随其上方的水流动。优选地,可以对沙粒层182提供额外的气体流和/或液体流。更优选地,可以在沙粒层182的表层的上方提供朝下的气体流和/或液体流。其中,形成气体流的气体可以是不与薯类小颗粒、沙颗粒和溶剂反应的气体,液体流的液体优选为溶剂。溶剂为水时,可以使用空气流和/或水流。
在该过程中,可以使用适当流速和流量的气体流和/或液体流,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,或者至少使夹杂在沙粒层182中的薯类小颗粒漂浮到沙粒层182的表面,从而被沙粒层182上方的水流带走。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带走。
为实施上述喷射气体流和/或液体流的步骤,在沉沙槽170内可以设置能够喷射气体流和/或液体流的喷射装置。具体地,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P,气体流和/或液体流通过该孔P喷射。
每个喷射管178可以以各种方式布置在沙粒层182的上方,例如,喷射管178可以设置为横跨沉沙槽170的两个相对的侧壁。如图3所示,喷射管178可以沿沉沙槽170的纵向平行设置,或者沿沉沙槽170的横向平行设置,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。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。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。
由于除砂操作的连续性,沉沙槽170内沉积的沙粒层182的厚度可能不同,为使喷射管178始终设置在沙粒层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。
优选地,如图3所示,喷射管178设置在沙粒层182的上方并使孔P设置为朝斜下方对沙粒层182喷射气体流和/或液体流,即喷射方向(图5中空心箭头方向)与浆液180的流动方向(图5中实心箭头方向)或水平面呈角度A,该角度优选为30-60°。如图3所示,喷射管178沿沉沙槽170的横向(图3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。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。
显然,可以使用各种泵或抽吸装置使孔P喷射可调节强度的气体流和/或液体流。在本发明的方法中,可以调节浆液180的流速,并根据该流速相应调节喷射装置的喷射强度,即气体流和/或液体流的流速和流量。当浆液180的流速较慢时,可以加大喷射的气体流和/或液体流的流速和流量,使得沉淀在沙粒层182的表层的薯类小颗粒能够悬浮在距离所述表层上方较远处,从而避免在随水流动到出口173时再次沉淀到出口173下方。当浆液180的流速较快时,被喷射装置提供的气体流和/或液体流吹动而悬浮的薯类小颗粒能够随水快速流动到出口173,在这段时间内再次沉淀的距离相对较小,因此可以使用流速和流量较小的气体流和/或液体流达到相同的效果。
此外,浆液180以确定的流速流动时,可以沿浆液180的流动方向减小喷射的气体流和/或液体流的流速和流量。在沿浆液180的流动方向距离设置有出口173的侧壁较远的区域,可以使用流速和流量较大的气体流和/或液体流,使得沉淀在沙粒层182的表层的薯类小颗粒能够悬浮在距离所述表层上方较远处,从而避免在随水流动到出口173时再次沉淀到出口173下方;而在沿浆液180的流动方向距离设置有出口173的侧壁较近的区域,可以使用流速和流量较小的气体流和/或液体流,从而在使薯类小颗粒漂浮并随水流出的同时避免沙粒也漂浮起来进而随水流出。
另外,使用本发明的方法时,优选将薯类小颗粒、沙颗粒和溶剂充分混合,更优选地,溶剂的重量为薯类小颗粒和沙粒的总重量的20-100倍。例如,水的重量是薯类小颗粒和沙粒的总重量的25倍。
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设置为沿与水平方向呈角度A向下喷射,角度A优选为30-60°,从而在驱动薯类小颗粒的同时避免使沙粒也漂浮起来。如图3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。
当沙粒基本上沉积在凹部17内时,喷射管178优选设置为在凹部17的上方并向下喷射气流和/或水流。
由于除沙操作的连续性,沉沙槽170内沉积的沙粒层182的厚度可能不同,为使喷射装置设置在沙粒层182的上方,优选地,喷射管178设置为能够沿沉沙槽170的垂直高度方向调节。
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。尤其是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密度较轻而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。
当所述沉沙槽170用于分离薯类和沙粒时,所述浆液中,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的垂直高度优选为0.5-0.9m,所述底部175的凹陷部分177和凸起部分176的高度为0.1-0.3m,所述凸起部分176和凹陷部分177占所述底部175面积的40-60%。所述出口173的最下端与底部之间的距离优选为0.4-0.85m,使得凸起部分176或凹陷部分177的最上端与浆液的液面高度差保持为0.1-0.5m,所述入口172与底部之间的距离为0.3-0.5m且所述入口172贯通到所述入口所在侧壁的顶部,所述沉沙槽170的入口172与出口173所在侧壁之间的距离优选为5-7m,从而使所述浆液通过所述入口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。
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,所述浆料由从沉沙槽170和粉碎装置140的出口导出的粉碎产物与水混合而成,即所述粉碎产物为通过沉沙槽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产物与适当比例的水混合而形成,所述制备乙醇的设备使用该浆料制备乙醇。因此,为了向所述制备乙醇的设备提供浆料,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并使该两部分浆液在适当的制备浆料的设备中加水搅拌,从而得到适于提供到所述制备乙醇的设备中的浆料。
具体地,可以使粉碎装置140和沉沙槽170的出口与所述制备浆料的设备连接以提供粉碎产物(混有薯类小颗粒的浆液和粉碎后的薯类大颗粒)。所述制备浆料的设备将制得的浆料提供给所述制备乙醇的设备以进行后续制备乙醇的操作。所述制备浆料的设备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(湿式粉碎),也可以不与水混合而直接粉碎(干式粉碎);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。
本发明采用一种酶解装置中进行酶解,得到酶解产物,然后发酵该酶解产物以制备乙醇。如图6所示,所述酶解装置包括闪蒸塔210、热源220、酶解罐230、物料源240和真空泵250,所述闪蒸塔210包括第一接口211、第二接口212、第三接口213和至少一个出料口,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的出料口连通,真空泵250与闪蒸塔210的第二接口212连通,热源220与闪蒸塔210的第三接口213连通;将浆料与酶混合并在一种酶解装置中进行酶解的方法包括通过第一接口211将浆料从物料源240输送至闪蒸塔210中,真空泵250使闪蒸塔210内形成负压,使热源220中的热介质被吸入闪蒸塔210中,并使浆料与热介质在闪蒸塔210中接触,使浆料的温度升高,然后将该温度升高后的浆料通过出料口输送至酶解罐230中与酶混合进行酶解。
按照本发明提供的方法,所述酶解罐230与闪蒸塔210的出料口连通,真空泵250与闪蒸塔210的第二接口212连通,热源220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100-170℃左右。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,同时将浆料通过第一接口211从物料源240中输送至闪蒸塔210中,使浆料与热介质在闪蒸塔210中接触并进行热交换,起到使浆料加温的作用,当浆料达到酶解温度时,物料被直接通入酶解罐230中进行酶解。一般情况下,在正常的生产过程中,真空泵250可以一直开启,且使闪蒸塔210中的真空度要求能够满足能够吸入所需的热介质的量,且能够保证不会将待酶解物料抽出。
按照本发明的一个优选的实施方式,如图7所示,可以通过连通器270将热源220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中浆料的液面。
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中的浆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中的浆料的液面齐平,则闪蒸塔210中的浆料会被倒吸入连通器270中,从而造成管路堵塞。而所述酶解装置中,由于连通器270的顶端高于闪蒸塔210中浆料的液面,且闪蒸塔210中的压力小于热源220中的压力,使得闪蒸塔210中的压力不足以将浆料倒吸入闪蒸塔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中的浆料还未能到达连通器270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。
按照本发明,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,按照本发明的一个具体实施方案,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。
按照本发明,为了更有利于热蒸汽对浆料的加温作用,优选使热源220中的热介质与浆料在闪蒸塔210中逆流接触,即,使通入浆料的第一接口211的位置低于通过连通器270将热源220与闪蒸塔210的第三接口213连通的第三接口213的位置。
为了便于控制与浆料接触的热蒸汽的量以控制浆料的温度以及便于控制浆料的通入量以控制闪蒸塔210中浆料的液位,优选情况下,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之间可以设置有阀门;连通器270与热源220之间可以设置有阀门;物料源240与第一接口211之间可以设置有阀门。
按照本发明,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浆料。本发明的发明人研究发现,对于浆料为20-40℃的薯类原料的淀粉浆液,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排出的浆料的温度在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,浆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。
按照本发明,闪蒸塔210上还可以设置有温度测试单元,以随时监测浆料在闪蒸塔210中的温度,当闪蒸塔210中浆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中浆料的液位。
按照本发明,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。
按照本发明,所述热源220可以提供热蒸汽、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中的热介质与浆料在闪蒸塔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提供的热蒸汽在闪蒸塔210中与浆料进行热交换后,可以直接将热蒸汽从闪蒸塔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,所述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,当本发明的方法中提供的酶解装置还包括冷凝器280且所用热介质为热的水蒸气时,在采用本发明的方法提供的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。
所述浆料可以为通过所述制备浆料的设备制得的浆料,例如适当粘度的淀粉浆料或纤维素浆料;所述浆料的粘度通常为1200-1500mpa.s。
本发明的发明人研究发现,对于浆料为20-40℃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排出的浆料的温度在50-90℃,满足酶解要求。
所述酶解的条件为本领域技术人员所公知,例如,所述酶解条件包括酶解的温度为50-90℃,所述酶解的时间为20-240分钟,所述酶解的pH值为3-7;所述酶解使用的酶为淀粉酶,以每克浆料的干重计,所述淀粉酶的用量为4-50酶活力单位;所述淀粉酶为α-淀粉酶、糖化酶、转移葡萄糖苷酶和磷酸酯酶中的一种或几种。
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。
所述薯类原料可以为鲜木薯或干木薯,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。
鲜木薯原料的外表皮内还含有一层薄皮,即内表皮,该内表皮中含有氰化物以及一种能引起食物中毒的氰贰——亚麻苦甙。亚麻苦甙被水解后产生氢氰酸。氢氰酸和氰化物都有剧毒,而且中毒非常迅速。它们可以通过多种途径进入人体,如皮肤吸收、伤口侵入、呼吸道吸入、误食等,进入人体后,能使中枢神经系统瘫痪,使呼吸酶及血液中血红蛋白中毒,引起呼吸困难,全身细胞会因缺氧窒息而使机体死亡。因此,优选情况下,通常在将鲜木薯原料进行粉碎之前,需要先除去鲜木薯原料的内表皮。所述除去鲜木薯原料内表皮的方法有可以采用现有技术中的各种去皮方法,例如,采用人工去皮的方法除去鲜木薯原料的外表皮及内表皮,同时去除原料表面的泥沙;或者采用去皮设备进行去皮,所述去皮设备可以采用各种去皮设备,例如CN101289674A中公开的薯类原料的去皮设备。所述酶解步骤可以通过本领域常用的方法完成,比如向浆料中添加产酶微生物和/或酶,在产酶微生物的生长温度和/或酶有活力的温度下保温完成。所述产酶微生物为能够分泌淀粉酶的产酶微生物。所述酶包括淀粉酶。
由于微生物生长会产生副产物,因此优选直接加入酶。所述酶的用量越多越好,出于成本考虑,优选以每克粉碎后的产物的干重计,所述淀粉酶的用量为4-50酶活力单位,更优选以每克粉碎后的产物的干重计,所述淀粉酶的用量为10-30酶活力单位。
本发明所述酶的酶活力单位可以为在pH值为6.0、温度为70℃的条件下,1分钟将1毫克淀粉转化为葡萄糖所需的酶量为一个酶活力单位。
所述酶解的温度可以为淀粉酶的任何最适作用温度,一般为50-90℃,更优选60-70℃。所述酶解的时间理论上越长越好,考虑到设备利用率,优选所述酶解的时间为20-240分钟,更优选为30-120分钟。所述酶解的pH值可以为淀粉酶的任何最适作用pH,一般为3.0-7.0,更优选pH值为5.0-6.0。由于酶解过程中pH值的波动不大,因此所述酶解的pH值可以按照本领域常用的方法在加入酶之前进行调节,例如先将浆料与水或培养基(加酶一般与水混合,加入产酶微生物一般与该微生物的培养基)混合,一般使所得混合物的固含量为20-40重量%,根据所得混合物的pH值,用硫酸溶液或氢氧化钠将待酶解的混合物pH调节至3.0-7.0,更优选调节至pH值为5.0-6.0。
淀粉酶是能够分解淀粉糖苷键的一类酶的总称,所述淀粉酶一般包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶和异淀粉酶。本发明所述酶包括淀粉酶。
α-淀粉酶又称淀粉1,4-糊精酶,它能够任意地、不规则地切开淀粉链内部的α-1,4-糖苷键,将淀粉水解为麦芽糖、含有6个葡萄糖单位的寡糖和带有支链的寡糖。生产此酶的微生物主要有枯草杆菌、黑曲霉、米曲霉和根霉。
β-淀粉酶又称淀粉1,4-麦芽糖苷酶,能够从淀粉分子非还原性末端切开1,4-糖苷键,生成麦芽糖。此酶作用于淀粉的产物是麦芽糖与极限糊精。此酶主要由曲霉、根霉和内孢霉产生。
糖化酶又称淀粉α-1,4-葡萄糖苷酶,此酶作用于淀粉分子的非还原性末端,以葡萄糖为单位,依次作用于淀粉分子中的α-1,4-糖苷键,生成葡萄糖。此酶作用于支链淀粉后的产物有葡萄糖和带有α-1,6-糖苷键的寡糖;作用于直链淀粉后的产物几乎全部是葡萄糖。此酶产生菌主要是黑曲霉(左美曲霉、泡盛曲霉)、根霉(雪白根酶、德氏根霉)、拟内孢霉、红曲霉。
异淀粉酶又称淀粉α-1,6-葡萄糖苷酶、分枝酶,此酶作用于枝链淀粉分子分枝点处的α-1,6-糖苷键,将枝链淀粉的整个侧链切下变成直链淀粉。此酶产生菌主要是嫌气杆菌、芽孢杆菌及某些假单孢杆菌等细菌。
优选所述酶解使用的酶还包括磷酸酯酶。因为磷酸酯酶能够使磷酸与醇式羟基结合成酯的磷酸糊精水解成葡萄糖,并释放出磷酸,具有极明显的液化力,所以酶解使用的酶包括磷酸酯酶,可以更充分地水解淀粉,以增加乙醇产率。
能够发酵单糖如葡萄糖和/或果糖、寡糖如蔗糖和/或半乳糖的微生物都可以用于本发明的发酵过程,由于酿酒酵母是酿酒工业上普遍应用的耐酒精、副产物少、乙醇产率高的发酵己糖的微生物,因此优选所述发酵所使用的酵母为酿酒酵母。
以每克酶解产物计,所述发酵所使用的酵母的接种量为103-108菌落形成单位,更优选104-106菌落形成单位。
所述菌落形成单位的定义为将稀释后的一定量的菌液通过浇注或涂布的方法,让其内的微生物单细胞一一分散在培养基平板上,待培养后,每一活细胞就形成一个菌落。即每毫升菌液中含有的单细胞的数目。
本发明发酵所使用的酵母可以为商购酵母固体制剂(比如干酵母粉)或酵母菌种,比如拉斯2号(Rasse II)酵母,又名德国二号酵母、拉斯12号(Rasse XII)酵母,又名德国12号酵母、K字酵母、南阳五号酵母(1300)和南阳混合酵母(1308)。所述酵母的菌落形成单位可以通过本领域公知的方法测定,比如亚甲基蓝染色活菌计数法。亚甲基蓝染色活菌计数法的具体方法如下:
将1克干酵母粉溶于10毫升无菌水中,或将1毫升菌种活化液用无菌水稀释至10毫升,加入0.5毫升0.1重量%亚甲基蓝,在35℃下保温30分钟。在10倍光学显微镜下,用血球计数板计数保温后的溶液中活菌的数目(死菌染色,活菌不染色),可得1克干酵母或1毫升菌种活化液中活菌的数目,即菌落形成单位数。
所述酵母可以采用常规的方法接种,例如向酶解产物中加入5-15体积%的种子液。所述种子液可以为干酵母的水溶液或培养基溶液,也可以为干酵母或商购菌种的活化种子液。
所述发酵的温度可以为任何适于酵母生长的温度,优选为30-36℃,更优选为30-33℃。pH值为4-6,优选为4-4.5。所述发酵的时间可以为从接种开始至酵母生长的衰亡期出现(即发酵时间为迟滞期、对数期加上稳定期)的时间,优选发酵的时间为55-70小时,更优选60-70小时。发酵产物乙醇可以用常规的方法,根据不同工业产品的要求(比如燃料酒精要求乙醇的纯度达99%以上)分离并精制,比如蒸馏、浓缩、除水。
下面通过实施例对本发明进行更详细的说明。
实施例中所用的木薯原料为同一批收获的新鲜木薯,粗4-8厘米,长20-30厘米,含水量为约65重量%。
下面将通过实施例对本发明进行进一步的详细描述。
实施例1
本实施例用于说明本发明的采用木薯制备乙醇的方法
(1)使用图6所示的酶解装置进行酶解。
所述酶解装置包括闪蒸塔210、热源220、酶解罐230、物料源240、真空泵250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和至少一个出料口,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的出料口连通,真空泵250与闪蒸塔210的第二接口212连通,热源220与闪蒸塔210的第三接口213连通,冷凝器280与闪蒸塔210的顶部连通。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。
(2)木薯原料的预破碎
将95千克鲜木薯原料(粗4-8厘米,长20-30厘米,含水量65重量%)清洗后破碎成长约1厘米左右、宽约2-3厘米的木薯块(还含有一些木薯粉末颗粒),取10克使用SFSP系列锤片式粉碎机对该木薯片进行粉碎,得到平均颗粒直径为2毫米(采用美国PPS公司的Accu Sizer TM 780光学粒径检测仪测定)的10克粉碎物。
将上述10克粉碎物过滤并在45℃下烘干至恒重3.4克,称量300.0毫克该干燥后的粉碎物,放置于重80克的100毫升干燥三角烧瓶内。向所述三角烧瓶内加入3.00毫升浓度为72重量%的硫酸溶液,搅拌1分钟。然后将三角烧瓶在30℃的水浴中放置60分钟,每隔5分钟搅拌一次以确保均匀水解。水解结束后,用去离子水使硫酸的浓度稀释到4重量%,然后用布氏漏斗过滤,共得到滤液84毫升。将20毫升滤液转移至干燥的50毫升的三角瓶中。使用2.5克碳酸钙调节该滤液的pH值至5.5,静置5小时,收集上层清液。用0.2微米滤膜过滤收集的上层清液,所得滤液用Biorad AminexHPX-87P高效液相色谱(HPLC)分析。HPLC条件:进样量20微升;流动相为0.2微米滤膜过滤并且超声振荡脱气的HPLC超纯水;流速为0.6毫升/分钟;柱温80-85℃;检测器温度80-85℃;检测器为折光率检测器;运行时间为35分钟。以0.1-4.0毫克/毫升浓度范围的D-(+)葡萄糖作为标准样品。HPLC分析得到粉碎物酸水解液中葡萄糖浓度为3.70毫克/毫升,计算可得1克所述粉碎物酸水解能得到重量为0.311克的葡萄糖,因为浓度为72重量%的硫酸溶液可以将粉碎物中的淀粉全部水解成葡萄糖,因此所得葡萄糖的重量是粉碎物中的淀粉重量的1.11倍,即1克所述粉碎物中的淀粉含量为0.280克。
(3)进入薯类粉碎设备进行粉碎以及酶解
所述上述经过预破碎的95千克木薯块供给到颗粒分级装置120中,从而使木薯原料分成大尺寸的木薯大颗粒(1-3厘米)和包括木薯小颗粒(1.8-2.5毫米)和沙粒的小颗粒混合物,并使所述小颗粒混合物输送到集料装置160中,然后使所述小颗粒混合物经过沉沙槽170并作为具有木薯小颗粒的浆液输出;使所述木薯大颗通过第二输送装置130提供到粉碎装置140并通过适当的方式(干式或湿式)进行粉碎。粉碎装置140和沉沙槽170的出口与所述制备浆料的设备连接以供料(可知95千克粉碎物中共含淀粉26.6千克);在所述制备浆料的设备中,将粉碎装置140和沉沙槽170的供料与21千克水混合后得到浆料,待用。
开启真空泵250将闪蒸塔210抽真空,使得闪蒸塔210的表压为-0.25兆帕,然后开启热源220与闪蒸塔210之间的阀门,使热源220中的温度为130℃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℃的上述淀粉浆液从物料源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,水蒸汽与该浆料的重量比为15∶1,接触的时间为8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65℃,将淀粉浆液通过出料口输送至酶解罐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;以每克浆料的干重计,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。
(4)发酵
将步骤(3)得到的酶解产物输送至发酵罐中,并温度降至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,所得蒸馏馏分在78.3℃下二次蒸馏可得乙醇13.73千克。按照下式计算乙醇产率,计算结果见表1。
乙醇产率=100%×乙醇重量/木薯原料中所含淀粉的重量
取100克蒸馏乙醇后的发酵醪用布氏漏斗过滤,将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中,静置5小时,收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液,按照上述步骤(1)所述高效液相条件,测定并计算出发酵醪中的葡萄糖共372克。并按照下式计算残糖率,计算结果见表1。
残糖率=100%×发酵醪中残糖量/木薯原料中所含淀粉的重量
对比例1
本对比例用于说明采用木薯制备乙醇的参比方法。
按照实施例1的方法制备乙醇,不同的是,不采用所述酶解设备,而采用在将淀粉浆液通入酶解罐230中后,采用电加热的方法将酶解温度提升至65℃,加热时间为0.5小时。按照实施例1的方法发酵得到乙醇13.43千克。
取100克蒸馏乙醇后剩余的发酵醪用布氏漏斗过滤,将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中,静置5小时,收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液,按照上述步骤(1)所述高效液相条件,测定并计算出发酵醪中的葡萄糖共575克。并按照实施例1的公式计算乙醇产率和残糖率,计算结果见表1。
实施例2
本实施例用于说明本发明的采用木薯制备乙醇的方法
按照实施例1的方法制备乙醇,不同的是,使用图7所示的酶解装置进行酶解。
所述酶解装置包括闪蒸塔210、热源220、酶解罐230、物料源240、真空泵250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和至少一个出料口,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的出料口连通,真空泵250与闪蒸塔210的第二接口212连通,冷凝器280与闪蒸塔210的顶部连通,通过倒置的U形管将热源(220)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。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,然后开启热源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35℃的淀粉浆液从物料源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℃,将淀粉浆液通过出料口输送至酶解罐230中与淀粉酶混合进行酶解,酶解的时间为80分钟,所述酶解的pH值为5;以每克淀粉浆液的干重计,加入30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。
并按照实施例1的方法对酶解产物进行发酵,得到乙醇14.07千克。
取100克蒸馏乙醇后剩余的发酵醪用布氏漏斗过滤,将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中,静置5小时,收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液,按照上述步骤(1)所述高效液相条件,测定并计算出发酵醪中的葡萄糖共348克。并按照实施例1的公式计算乙醇产率和残糖率,计算结果见表1。
实施例3
本实施例用于说明本发明的采用木薯制备乙醇的方法
按照实施例1的方法制备乙醇,不同的是,使用图7所示的酶解装置进行酶解。
所述酶解装置包括闪蒸塔210、热源220、酶解罐230、物料源240、真空泵250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和至少一个出料口,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的出料口连通,真空泵250与闪蒸塔210的第二接口212连通,冷凝器280与闪蒸塔210的顶部连通,通过倒置的U形管将热源(220)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1米。开启真空泵250将闪蒸塔210抽真空,使得闪蒸塔210的表压为-0.02兆帕,然后开启热源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35℃的淀粉浆液从物料源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20∶1,接触的时间为6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60℃,将淀粉浆液通过出料口输送至酶解罐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30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。
并按照实施例1的方法对酶解产物进行发酵,得到乙醇13.81千克。
取100克蒸馏乙醇后剩余的发酵醪用布氏漏斗过滤,将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中,静置5小时,收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液,按照上述步骤(1)所述高效液相条件,测定并计算出发酵醪中的葡萄糖共372克。并按照实施例1的公式计算乙醇产率和残糖率,计算结果见表1。
实施例4
本实施例用于说明本发明的采用木薯制备乙醇的方法
按照实施例1的方法制备乙醇,不同的是,按照图7制备酶解装置。
所述酶解装置包括闪蒸塔210、热源220、酶解罐230、物料源240、真空泵250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和至少一个出料口,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的出料口连通,真空泵250与闪蒸塔210的第二接口212连通,冷凝器280与闪蒸塔210的顶部连通,通过倒置的U形管将热源(220)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1.5米。开启真空泵250将闪蒸塔210抽真空,使得闪蒸塔210的表压为-0.3兆帕,然后开启热源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25℃的淀粉浆液从物料源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20∶1,接触的时间为7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65℃,将淀粉浆液通过出料口输送至酶解罐230中与淀粉酶混合进行酶解,酶解的时间为70分钟,所述酶解的pH值为5;以每克淀粉浆液的干重计,加入25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。
并按照实施例1的方法对酶解产物进行发酵,得到乙醇13.95千克。
取100克蒸馏乙醇后剩余的发酵醪用布氏漏斗过滤,将20毫升滤液转移至干燥50毫升的三角瓶中,静置5小时,收集上层清液。0.2微米滤膜过滤收集的上层清液,按照上述步骤(1)所述高效液相条件,测定并计算出发酵醪中的葡萄糖共359克。并按照实施例1的公式计算乙醇产率和残糖率,计算结果见表1。
表1
  实施例或对比例   实施例1   对比例1   实施例2   实施例3   实施例4
  乙醇产率(%)   51.6   50.3   52.9   51.9   52.4
  残糖率(%)   1.4   2.1   1.3   1.4   1.35
从上表1中的数据可以看出,采用本发明提供的薯类原料制备乙醇的方法得到的乙醇的淀粉乙醇的产率明显高于对比例1,且残糖率较对比例1也大大降低。更重要的是,采用所述酶解设备,不但耗能少,酶解效率更高。

Claims (30)

1.一种制备乙醇的方法,该方法包括:
将薯类颗粒与沙粒的混合物分离为薯类大颗粒和包括薯类小颗粒与沙粒的小颗粒混合物;粉碎所述薯类大颗粒,得到粉碎产物;使所述小颗粒混合物随水流动,并使所述沙粒在流动过程中沉积形成沙粒层(182),所述薯类小颗粒则与水一起继续流动形成浆液;混合所述粉碎产物和所述浆液以形成浆料;将所述浆料在一种酶解装置中进行酶解,得到酶解产物;发酵该酶解产物;所述酶解装置包括闪蒸塔(210)、热源(220)、酶解罐(230)、物料源(240)和真空泵(250),所述闪蒸塔(210)包括第一接口(211)、第二接口(212)、第三接口(213)和至少一个出料口,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)的出料口连通,真空泵(250)与闪蒸塔(210)的第二接口(212)连通,热源(220)与闪蒸塔(210)的第三接口(213)连通;将所述浆料与酶混合并在一种酶解装置中进行酶解的方法包括通过第一接口(211)将浆料从物料源(240)输送至闪蒸塔(210)中,真空泵(250)使闪蒸塔(210)内形成负压,使热源(220)中的热介质被吸入闪蒸塔(210)中,并使浆料与热介质在闪蒸塔(210)中接触,使浆料的温度升高,然后将该温度升高后的浆料通过出料口输送至酶解罐(230)中与酶混合进行酶解。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,使所述小颗粒混合物和水混合形成浆液(180)并使所述浆液(180)流动。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,该方法还包括防止所述沙粒层(182)沿流动方向自由移动。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述防止所述沙粒层(182)沿流动方向自由移动的方法包括使所述浆液(180)在流动过程中通过垂直于流动方向的障碍物,该障碍物的高度高于所述沙粒层(182)的高度且低于所述浆液(180)的液面高度。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,所述障碍物为凸起(176)。
6.根据权利要求4所述的方法,其中,所述障碍物的高度与所述浆液(180)的液面高度的差值为0.1m-0.5m。
7.根据权利要求2-6中任意一项所述的方法,其中,该方法还包括搅动沙粒层(182),以使夹杂在所述沙粒层(182)中的薯类小颗粒漂浮并随所述浆液(180)流动。
8.根据权利要求7所述的方法,其中,所述搅动的方法为向所述沙粒层(182)提供气体流和/或液体流。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,气体流和/或液体流的流速和流量足以使夹杂在所述沙粒层(182)中的薯类小颗粒漂浮到沙粒层(182)的表面。
10.根据权利要求8所述的方法,其中,该方法还包括根据所述浆液(180)的流动速度,调节所述气体流和/或液体流的流速和流量,所述浆液(180)的流动速度增加或减小时,减小或增大所述气体流和/或液体流的流速和流量。
11.根据权利要求8所述的方法,其中,所述气体流和/或液体流的方向与浆液(180)的流动方向呈朝下的30-60度角。
12.根据权利要求8所述的方法,其中,所述气体流的气体不与所述浆液(180)反应,液体流的液体为水。
13.根据权利要求2所述的方法,其中,水的密度大于薯类小颗粒的密度且小于所述沙粒的密度。
14.根据权利要求2所述的方法,其中,水的用量为所述薯类小颗粒和所述沙颗粒的总重量的20-100倍。
15.根据权利要求13或14所述的方法,其中,所述浆液(180)的液面高度为0.4-0.85m,流速为3-10m/s。
16.根据权利要求2所述的方法,其中,使用分级筛将所述薯类颗粒与沙粒的混合物分为所述薯类大颗粒和所述小颗粒混合物,使用具有搅拌功能的螺旋输送机混合所述小颗粒混合物和水。
17.根据权利要求1或16所述的方法,其中,使用破碎机粉碎所述薯类大颗粒。
18.根据权利要求1所述的方法,其中,通过连通器(270)将热源(220)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)中浆料的液面。
19.根据权利要求18所述的方法,其中,所述连通器(270)的顶端高于闪蒸塔(210)的顶端。
20.根据权利要求19所述的方法,其中,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。
21.根据权利要求18-20中任意一项所述的方法,其中,所述连通器(270)为弯形管。
22.根据权利要求21所述的方法,其中,所述连通器(270)为倒置的U形管或蛇形管。
23.根据权利要求1所述的方法,其中,所述热介质与浆料逆流接触。
24.根据权利要求23所述的方法,其中,所述热介质为100-170℃的水蒸气,来自物料源(240)的所述浆料为20-40℃的薯类原料淀粉浆液,所述接触的时间为5-10分钟。
25.根据权利要求24所述的方法,其中,在闪蒸塔(210)中接触的浆料与热介质的重量比例为15-30:1。
26.根据权利要求1所述的方法,其中,所述闪蒸塔(210)的表压为-0.3至-0.01兆帕。
27.根据权利要求1所述的方法,其中,所述浆料为薯类原料淀粉浆液,所述酶解的条件包括酶解的温度为50-90℃,所述酶解的时间为20-240分钟,所述酶解的pH值为3-7;所述酶解使用的酶为淀粉酶,以每克浆料的干重计,所述淀粉酶的用量为4-50酶活力单位;所述淀粉酶为α-淀粉酶、糖化酶、转移葡萄糖苷酶和磷酸酯酶中的一种或几种。
28.根据权利要求1所述的方法,其中,该方法还包括使与浆料接触后的热介质进行冷凝。
29.根据权利要求1所述的方法,其中,所述浆料的平均颗粒直径为1.5-10毫米。
30.根据权利要求1所述的方法,其中,以每克酶解产物计,所述发酵所使用的酵母的接种量为103-108菌落形成单位,所述发酵的温度为30-36℃,发酵的时间为50-75小时。
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