CN102586337A - 含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物的利用方法 - Google Patents

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王林风
张晓阳
陈俊英
常春
李洪亮
方书起
韩秀丽
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Abstract

本发明涉及一种含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物的利用方法，该方法为：将农林废弃物原料经粉碎、蒸汽爆破、洗涤、分离后得到固相和液相；其中，含有半纤维素水解物的液相送至沼气发酵工段生产沼气；含有纤维素和木质素的固相经酶解、乙醇发酵和蒸馏得到乙醇产品。该方法利用农林废弃物原料中的纤维素生产乙醇，半纤维素生产沼气，木质素作为燃料来发电，大幅度降低了生产成本，增强了纤维乙醇的市场竞争力。

Description

含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物的利用方法
技术领域
本发明属于生物质技术领域，具体涉及一种利用含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物发酵生产乙醇和沼气并联产电力的方法。
背景技术
乙醇是一种液体燃料，也是最重要的石油替代品。纤维素制乙醇是将农林废弃物中的纤维素水解为单糖，然后再将单糖发酵得到乙醇，但高额的生产成本影响了纤维乙醇的市场竞争力。
为了降低生产成本，国内外在开发高效廉价的纤维质原料的预处理技术，选育诱变高产酶活的纤维素酶生产菌株，构筑能同化五碳糖的酵母菌株以及实现相对高浓度发酵技术方面进行了大量的研究工作，虽然建成了一些小型试验工厂，但离工业化应用尚有很大难度。特别是对于纤维素原料水解生成的五碳糖而言，现在所构成的能同化五碳糖的酵母菌株不稳定，难以产业化；另一方面，五碳糖转化为酒精的成本很高，经济效益比较低。 
发明内容
本发明目的在于提供一种含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物的利用方法，该方法利用农林废弃物原料中的纤维素生产乙醇，半纤维素生产沼气，木质素作为燃料来发电，大幅度降低了生产成本，增强了纤维乙醇的市场竞争力。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物的利用方法，该方法为：将农林废弃物原料经粉碎、蒸汽爆破、洗涤、分离后得到固相和液相，其中含有半纤维素水解物的液相送至沼气发酵工段生产沼气；含有纤维素和木质素的固相经酶解、乙醇发酵、蒸馏和精馏得到乙醇产品。农林废弃物常见的有：作物秸秆、稻壳、锯末、木屑、树枝、甘蔗渣等。
具体的，所产沼气或用于干燥，或用于发电，或经脱碳得到车用天然气外供。沼气发酵工段所产生的达标废水经深度加工可回用；所产生的污泥和沼渣可作为肥料出售。
蒸馏过程中产生的废糟液经干燥后用作锅炉燃料生产蒸汽。锅炉产生的蒸汽部分用于乙醇生产，部分用于发电；所产电力除满足生产需要外，还可外供。锅炉产生的炉灰作为肥料出售。
所产沼气部分通过热风炉产生过热蒸汽，过热蒸汽用于干燥蒸馏产生的废糟液后转变为饱和蒸汽，饱和蒸汽用作蒸馏和精馏的热源。部分饱和蒸汽可以经热风炉转变为过热蒸汽再次用于干燥废糟液。
在具体的实施过程中，可以把农林废弃物原料粉碎至长度不大于50mm，脱除杂质后送至蒸汽爆破工段在1.6～2.4MPa压力下进行汽爆处理；蒸汽爆破过程中产生的蒸汽经汽体回收，冷却为液体，送至沼气发酵工段。
蒸汽爆破后的固体加1～15重量倍水进行洗涤，洗涤后分离出的含半纤维素水解物的液相送至沼气发酵工段；含有纤维素和木质素的固相按10～200U/g纤维素加入纤维素酶于40～60℃酶解12～36h；所得酶解糖液按2～3kg/吨乙醇加入干酵母后进行乙醇发酵，发酵温度控制在30～40℃，发酵周期为48～96h。发酵好的成熟醪直接带渣在蒸馏塔内进行蒸馏，蒸馏温度保持在85～95℃，塔顶采出的粗乙醇送至精馏塔进行精馏脱水，精馏在常压条件下于70～85℃进行，精馏后可得到纯度95%的乙醇产品。
本发明方法的技术方案主要包括原料粉碎、蒸汽爆破、酶解、乙醇发酵、蒸馏、沼气发酵和发电等，利用农林废弃物发酵生产乙醇和沼气并联产电力的生产流程如图1所示。该方法利用农林废弃物原料中的纤维素生产乙醇，半纤维素生产沼气，木质素作为燃料来发电，大幅度降低了生产成本，增强了纤维乙醇的市场竞争力。
附图说明
图1是利用农林废弃物发酵生产乙醇和沼气并联产电力的生产流程。
具体实施方式  
以下以玉米秸秆为例对本发明方法作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例
如图1所示，一种利用含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物发酵生产乙醇和沼气并联产电力的方法，该方法为：
1）将7000kg玉米秸秆原料粉碎至长度不大于50mm，利用振动筛将杂质脱除后送至蒸汽爆破工段，在1.6MPa压力下维持20min进行汽爆处理；蒸汽爆破过程中产生的蒸汽经汽体回收进行冷凝，冷却为液体后送至沼气发酵工段。
2）蒸汽爆破后的固体物料加70 m3的温水（水温40度左右）进行洗涤，过滤分离后所产生的洗涤水（即含半纤维素水解物的液相）送至沼气发酵工段生产沼气；过滤分离后所得固体（即含有纤维素和木质素的固相）按25U/g纤维素加入纤维素酶于50℃酶解24h。
3）在酶解后所得的酶解糖液中加入2kg干酵母进行乙醇发酵，发酵温度控制在35℃，发酵周期为72h。
4）发酵好的成熟醪直接带渣在蒸馏塔内进行蒸馏，蒸馏温度保持在90℃，醪液在此脱除水、有机酸和重组份等杂质；塔顶采出的粗乙醇送至精馏塔进行精馏脱水，精馏在常压78℃条件下进行，精馏后可得到1000kg纯度为95%（V/V）的乙醇产品。
步骤1）中沼气发酵工段所产沼气或用于干燥，或用于发电，或经脱碳得到车用天然气外供。沼气发酵工段所产生的达标废水经深度加工可回用；所产生的污泥和沼渣可作为肥料出售。步骤4）蒸馏过程中蒸馏塔塔釜采出的废糟液（即乙醇糟液）送至干燥工段，采用过热蒸汽干燥机（干燥机的热源为：所产的部分沼气通过热风炉产生的过热蒸汽）于100℃干燥5min，干燥机产生的8100kg饱和蒸汽用作蒸馏和精馏的热源。干燥后所得3900 kg干糟作为锅炉燃料可生产19吨蒸汽。其中15吨蒸汽可推动汽轮机进行发电，其余4吨供给蒸汽爆破使用。锅炉产生的890kg炉灰可作为含磷钾的肥料出售。
来自蒸汽爆破工段的冷凝液、洗涤分离工段的洗涤水、蒸馏工段的冷凝液、精馏工段的余馏水均送至沼气发酵工段，进行两级厌氧处理，厌氧处理在常压下进行，处理温度为55℃。两级厌氧处理产生的沼气经净化处理后，可产沼气900Nm3，其中500 Nm3沼气用于干燥；其余400 Nm3沼气若全部送至发电工段进行发电，可发电1000kwh，以供用电户使用；若400 Nm3沼气经脱碳处理后可产220 Nm3车用燃气。厌氧处理产生的废水经好氧和深度处理后可作为回用水。污泥和沼渣经脱水后可作为肥料出售。

Claims (6)

1.一种含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物的利用方法，其特征在于，将农林废弃物原料经粉碎、蒸汽爆破、洗涤、分离后得到固相和液相；其中，液相送至沼气发酵工段生产沼气，固相经酶解、乙醇发酵、蒸馏和精馏得到乙醇产品。
2.如权利要求1所述含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物的利用方法，其特征在于，所产沼气或用于干燥，或用于发电，或经脱碳得到车用天然气外供。
3.如权利要求2所述含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物的利用方法，其特征在于，蒸馏产生的废糟液经干燥后用作锅炉燃料生产蒸汽；锅炉产生的蒸汽部分用于乙醇生产，部分用于发电；锅炉产生的炉灰作为肥料出售。
4.如权利要求3所述含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物的利用方法，其特征在于，所产沼气部分通过热风炉产生过热蒸汽，过热蒸汽用于干燥蒸馏产生的废糟液后转变为饱和蒸汽，饱和蒸汽用作蒸馏和精馏的热源。
5.如权利要求1至4任一所述含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物的利用方法，其特征在于，农林废弃物原料粉碎至长度不大于50mm，脱除杂质后送至蒸汽爆破工段在1.6～2.4MPa压力下进行汽爆处理；蒸汽爆破过程中产生的蒸汽经汽体回收，冷却为液体，送至沼气发酵工段。
6.如权利要求5所述含有纤维素、半纤维素和木质素的农林废弃物的利用方法，其特征在于，所述固相按10～200U/g纤维素加入纤维素酶于40～60℃酶解12～36h；所得酶解糖液按2～3kg/吨乙醇加入干酵母后进行乙醇发酵，发酵温度控制在30～40℃，发酵周期为48～96h；发酵好的成熟醪直接带渣在蒸馏塔内进行蒸馏，蒸馏温度保持在85～95℃，塔顶采出的粗乙醇送至精馏塔进行精馏脱水，精馏在常压条件下于70～85℃进行，精馏后可得到纯度95%的乙醇产品。
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