CN103509712B - 一种具备自控系统的连续固态发酵制取乙醇的装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微生物发酵生产燃料乙醇的技术领域。具体涉及一种生产燃料乙醇具备自控系统的连续固态发酵装置及工艺。所述工艺主要包括菌种添加和连续固态发酵两个步骤，即在粉碎物料进入连续固态发酵罐时向粉碎原料中添加发酵菌种，然后将上述混菌原料在连续固态发酵罐中进行发酵，使可发酵糖转化为乙醇。本发明采用连续固态发酵，可以充分利用秸秆中的可发酵糖分，避免了防腐剂的使用，节约了秸秆压榨所需要的高能耗，降低了大量无水的排放，提高了生产效率、节约了生产成本产率；采用自控连续固态发酵装置，改变了传统生产方式，真正实现了固态发酵工艺的连续化、自动化；发酵罐体回转速度、布料板角度可调，加强了生产的可调可控性。

Description

一种具备自控系统的连续固态发酵制取乙醇的装置及工艺
技术领域
本发明属于微生物发酵生产燃料乙醇的技术领域。具体涉及一种生产燃料乙醇的固态发酵装置及工艺，特别是一种基于糖质原料制取燃料乙醇的自控连续固体发酵装置及工艺。
背景技术
随着社会的发展，化石资源已渐趋枯竭，世界各国开始致力于研究可再生能源物质，而可替代石油燃料的绿色新能源——燃料乙醇受到了国内外的广泛关注。因其燃烧特性与汽油非常接近，可以按一定比例与汽油混合使用，也可以直接作为燃料使用，极大减少了有害气体的排放，具有广阔的发展空间。
由于世界人口急剧增多，为保证粮食供应，逐渐有国家出台限制粮食作物制乙醇的政策，因此非粮作物生产乙醇将会成为发展趋势。甜高粱以其抗旱、耐盐碱、适应力强、茎秆含糖量高等特性，成为此类非粮作物的优选对象。
甜高粱秸秆生产乙醇主要有液态和固态发酵两种方式。液态发酵是将新鲜甜高粱秸秆压榨取汁，对汁液进行发酵，但贮存汁液时需要加入防腐剂，对发酵酵母菌不利，而压榨后的固体物料中还残留一定量的糖分，这些都将造成乙醇产率降低；固态发酵是将甜高粱秸秆粉碎后直接进行发酵，降低了原料预处理的强度，避免了防腐剂的使用，减少了糖损失，能从根本上克服液态发酵的不足。
但目前的固态发酵技术大多数还沿用传统制酒工艺，在固定的发酵池或发酵罐内进行，属于间歇操作，酒气易挥发，生产效率低。而粉碎秸秆类物料具有相互缠绕的特点，很难实现连续流动，其运动的不确定性也给监测带来困难。因此，开发新型设备，降低成本和能耗，提高乙醇产率，并实现固态发酵连续化是发展生物质发酵制取燃料乙醇工业的当务之急。
在中国专利申请公布CN102071222A中，本发明的发明人公开了一种制取燃料乙醇的连续固态发酵装置及工艺。其中的连续发酵是通过如下步骤实现的：
(a)菌种添加：在粉碎物料进入连续固态发酵罐体前向发酵原料中添加发酵菌种；发酵菌种接种量为5％～20％(V/W)；
(b)连续固态发酵：将上述混合后的发酵料在连续固态发酵罐中进行连续发酵，发酵时间30h
，连续固态发酵罐体回转速度控制在0.03～0.4rpm，连续固态发酵罐体内的温度保持在25～40℃，使可发酵糖转化为乙醇。
在中国专利申请公布CN102071222A中公开的制取燃料乙醇的自控连续固态发酵装置的技术方案为：送料器与密闭料仓相连，密闭料仓上设置有料位计、菌液喷淋管，其出口处安装双辊下料机；所述双辊下料机的出口与进料螺旋送料器连接，进料螺旋送料器伸入进料密封仓内并固定，进料密封仓与连续固态发酵罐体之间采用机械密封；连续固态发酵罐体设有沿轴线向出口方向倾斜的倾角，罐体外壁上固定有齿圈，变速机驱动装置与齿圈啮合，驱动连续固态发酵罐体在托轮的支承下回转；所述连续固态发酵罐体的出口处与出料密封仓连接，所述出料密封仓上设置排气口，并安装有呼吸阀，出料密封仓与连续固态发酵罐体之间采用机械密封。在出料密封仓的出口处安装闸板阀，并通过闸门阀与后续设备密封连接。
所述连续固态发酵罐体的内壁安装若干组抄板，每组抄板数量为6-10个，安装角度可调；同组抄板等间距分布在同一截面上，不同截面的抄板交错排列，以改变物料搅拌程度和调控物料流动速度。
所述双辊下料机与密闭料仓之间采用物料堆积密封，所述出料密封仓与闸板阀之间采用发酵料密封。
所述装置各管口、连接部位，及其与前后其他设备连接处都采用密封连接，并与连续固态发酵罐体的回转运动相适应，保证运行全过程的密封效果。
所述连续固态发酵罐体的转速在0.03～0.4rpm之间可调。
但是上述用于连续发酵的装置和工艺仍存在一些缺陷，例如：1.由于粉碎后的秸秆颗粒较大，用常规的送料器进料时经常会堵塞进料口，需要经常疏通，从而影响生产效率；2.经过发酵后的秸秆交织缠连在一起，会堵塞出料口，同样会影响生产效率；3.由于在发酵中会产生热量，使得发酵罐内温度不断升高，当超出菌种的适宜温度区间时会影响发酵效率；4.所用菌液由于培养基比较昂贵，因此菌种生产成本较高，加入菌种时的使用浓度偏低，发酵效率不够理想等；5.发酵装置没有自控调节，亦影响正常生产。
因此，本领域中仍需要能够实现自控连续固体发酵的装置和工艺。以解决当前甜高粱秸秆制乙醇过程中液态发酵原料预处理成本高、固态发酵生产效率低以及连续化困难的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明针对物料流动特性，结合发酵工艺操作特点，提供了一种用于制取燃料乙醇的自控连续固态发酵装置及工艺，实现甜高粱秸秆制燃料乙醇的连续化生产。
在本发明的第一方面，提供了一种制取燃料乙醇的自控连续固态发酵装置，所述装置包括：送料器(101)、进料螺旋送料器(102)、菌液喷淋管(103)、进料密封仓(109)、连续固态发酵罐体(105)、出料螺旋送料器(114)，其特征在于：送料器(101)的出口与进料螺旋送料器(102)连接，进料螺旋送料器(102)上设有菌液喷淋管(103)，进料螺旋送料器(102)伸入进料密封仓(109)内并固定，进料密封仓(109)与连续固态发酵罐体(105)之间采用机械密封；连续固态发酵罐体(105)设有沿轴线向出口方向倾斜的倾角，罐体外壁上固定有齿圈(106)，变速机驱动装置(112)与齿圈(106)啮合，驱动连续固态发酵罐体(105)在托轮(110)的支承下回转转速在0.03～0.4rpm之间可调。连续固态发酵罐体(105)的内壁安装若干组布料板，安装角度可调，用以改变物料的搅拌程度和调控物料流动速度；同组布料板等间距分布在同一截面上，不同截面的布料板交错排列，以改变物料搅拌程度和调控物料流动速度。所述连续固态发酵罐体(105)的出口处与出料螺旋送料器(114)相连接，所述出料螺旋送料器(114)上设置排气口(107)，并安装有呼吸阀(108)，所述出料螺旋送料器(114)与连续固态发酵罐体(105)之间采用机械密封，并与后续设备密封连接。
在本发明的一个实施方案中，所述连续固态发酵罐体(105)与水平面的倾角为1～5°，进料口一端高于出料口一端。
在本发明的一个实施方案中，所述连续固态发酵罐体(105)外部安装有多个测温口形成测温口组(111)，以监测发酵罐内的温度。
在本发明的一个实施方案中，所述连续固态发酵罐体(105)的内壁安装有若干组布料板，每组布料板数量为(1-5)×D(D为发酵罐直径，单位为m)个；同组布料板等间距分布在同一截面上，不同截面的布料板交错排列，以改变物料搅拌程度和调控物料流动速度。
在本发明的一个实施方案中，所述装置各管口、连接部位，及其与前后其他设备连接处都采用密封连接，并与连续固态发酵罐体的回转运动相适应，保证运行全过程的密封效果。
在本发明的一个实施方案中，所述连续固态发酵罐体的转速在0.03～0.4rpm之间可调。
在本发明的另一方面，提供了一种用于制取燃料乙醇的连续固态发酵的工艺，包括如下步骤：
(a)菌种添加：在粉碎物料进入连续固态发酵罐体前向发酵原料中添加发酵菌种；发酵菌种接种量为5-20％(V/W)；菌种接种浓度为1～9×108/ml；
(b)连续固态发酵：将上述混合后的发酵料在连续固态发酵罐中进行连续发酵，发酵时间24-40h，连续固态发酵罐体回转速度控制在0.03～0.4rpm，连续固态发酵罐体内的温度保持在25～40℃，使可发酵糖转化为乙醇；
在本发明的一个实施方案中，所述步骤(a)的菌种添加过程是在物料进入连续固态发酵罐体前的螺旋送料器中进行。
在本发明的一个实施方案中，所述步骤(b)中，通过连续固态发酵罐体的自身回转运动实现物料不断向出口方向运动。
在本发明的一个实施方案中，所述发酵所用的菌种为CGMCC1949。
本发明的连续固体发酵装置和工艺具有如下有益效果：
(1)连续固态发酵罐进出料口的改进设计以及连续固态发酵罐体恰当的倾角与回转速度的配合使得物料能够稳定、顺畅地运动，真正实现了固态发酵工艺的连续化，省去了人工卸料再运送至下一装置的步骤，提高了发酵罐利用率，从而有效提高了生产效率，节省了人力并减小劳动强度，进而达到降低能耗和生产成本的目的。
(2)连续发酵是在一密闭系统中进行，物料发酵完成后直接进入下一单元，操作过程无间歇，物料不与空气接触，并且排气口的设计能起到罐内控压的作用，使之维持微正压，保证了发酵时菌种所必须的厌氧环境，有益于发酵。
(3)发酵罐内布料板角度可以灵活调整，能够改变物料搅拌程度和调控物料流动速度，以满足发酵不同阶段散热量不同的需要，保证发酵正常进行，并对生产起到一定的调控作用。
(4)该装置能够通过调节电机转速来改变发酵罐的回转速度，使其生产能力在一范围内可调，进一步实现了生产量的可控性。
(5)采用固态发酵降低了原料的预处理强度，节省了时间和人力；能充分利用甜高粱秸秆中的可发酵糖分，且无防腐剂的使用，减少了糖损失，保证了菌种生长的活性，提高了产品质量和产率。
附图说明
图1为本发明的自控连续固态发酵装置的结构示意图。图中附图标记：101-送料器；102-进料螺旋送料器；103-菌液喷淋管；104-蒸汽管口；105-连续固态发酵罐体；106-齿圈；107-排气口；108-呼吸阀；109-进料密封仓；110-托轮；111-测温口组；112-变速机驱动装置；113-保温层；114-出料螺旋送料器。
图2为图1所示的连续固态发酵罐体内任一布料板截面的布料板分布示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种制取燃料乙醇的连续固态发酵的装置及其工艺，以解决当前甜高粱秸秆制乙醇过程中液态发酵原料预处理成本高、固态发酵生产效率低和连续化困难的问题，实现甜高粱秸秆制燃料乙醇的连续化生产。
在本发明的发酵装置中，由于取消了进料斗，并在出料口增设出料螺旋送料器，从而避免了下述问题，例如：1.由于粉碎后的秸秆容易交织缠连，用常规的送料器进料时经常会堵塞进料口，需要经常疏通，从而影响生产效率；2.经过发酵后的秸秆其纤维交织在一起，极易堵塞出料口，同样会影响生产效率。
此外，在本发明的发酵工艺中使用的菌种为CGMCC1949，这种菌种可以在玉米培养基上良好生长，从而避免了使用传统的麦芽汁培养基，降低了生产成本，使得菌种的浓度增高，也进一步提高了发酵效率。
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
图1为本发明的自控连续固态发酵装置的结构示意图。如图1所示，送料器101的出口与进料螺旋送料器102连接，进料螺旋送料器102上设有菌液喷淋管103，进料螺旋送料器102伸入进料密封仓109内并固定，进料密封仓109与连续固态发酵罐体105之间采用机械密封；连续固态发酵罐体105设有沿轴线向出口方向倾斜的倾角，罐体外壁上固定有齿圈106，变速机驱动装置112与齿圈106啮合，驱动连续固态发酵罐体105在托轮110的支承下回转转速在0.03～0.4rpm之间可调。连续固态发酵罐体105的内壁安装若干组布料板，安装角度可调，用以改变物料的搅拌程度和调控物料流动速度；同组布料板等间距分布在同一截面上，不同截面的布料板交错排列，以改变物料搅拌程度和调控物料流动速度。所述连续固态发酵罐体105的出口处与出料螺旋送料器114相连接，所述出料螺旋送料器114上设置排气口107，并安装有呼吸阀108，所述出料螺旋送料器114与连续固态发酵罐体105之间采用机械密封，并与后续设备密封连接。
在本发明的连续固态发酵罐外侧的不同截面横穿直径的管上安装有设置有多个测温口形成测温口组111，用于监测发酵罐内的温度，发酵罐内的温度应保持在25～40℃，当发酵温度过高时，将启动外部水喷淋或风冷等方式降温。如在寒冷地区或季节使用时，可在本发明的连续固态发酵罐外部设置保温层。这样保证了发酵温度的稳定，也实现了温度自控。
连续进料前，应从发酵罐上的蒸汽管口通入蒸汽灭菌消毒。发酵时，粉碎后的甜高粱秸秆由送料器101送至进料螺旋送料器102，并与菌液喷淋管103输入的菌液混合，混合后的物料经螺旋送料器102进入连续固态发酵罐体105；变速机驱动装置112与齿圈106啮合，从而驱动连续固态发酵罐体105在托轮110的支承下以一定的速度运动，甜高粱秸秆物料在自身重力和布料板的作用下沿倾斜的罐体连续的运动至发酵罐出口，然后经出料螺旋送料器114连续排出。物料在流动过程中完成连续发酵，发酵后的物料进入乙醇蒸馏工序。发酵罐外侧有可分段拆装的保温层113以及水喷淋装置或风冷装置，以便根据发酵产热不同的需要，决定是否对罐体进行保温或降温。发酵产生的二氧化碳、乙醇气连同水蒸气形成的混合气体由排气口107排出后进入混合气处理装置，进行二氧化碳和乙醇气体的回收。
图2为图1所示的连续固态发酵罐体内任一布料板截面的布料板分布示意图。
实施例
实施例1(连续发酵)
收割成熟的甜高粱秸秆，以含水量70％，总糖含量11％，还原糖含量7％的甜高粱秸秆为原料，粉碎成直径1～2mm长度小于30mm的丝状。同时向螺旋进料送料器中加入CGMCC1949菌种，与粉碎物料混合后在连续固态发酵罐内进行连续发酵。发酵菌接种量为10％(V/W)，调节各操作参数，保持罐内温度为25～40℃，发酵时间24小时，发酵罐回转速度为0.25rpm。发酵后测得乙醇收率91.2％，总糖转化率94.2％。
实施例2(连续发酵)
收割成熟的甜高粱秸秆，以含水量70％，总糖含量12％，还原糖含量8％的甜高粱秸秆为原料，粉碎成直径1～2mm长度小于30mm的丝状。同时向螺旋进料送料器中加入CGMCC1949菌种，与粉碎物料混合后在连续固态发酵罐内进行连续发酵。发酵菌接种量为15％(V/W)，调节各操作参数，保持罐内温度为25～40℃，发酵时间30小时，发酵罐回转速度为0.1rpm。发酵后测得，乙醇收率92.3％，总糖转化率96.4％。

Claims (6)

1.一种制取燃料乙醇的自控连续固态发酵装置，所述装置包括：送料器(101)、进料螺旋送料器(102)、菌液喷淋管(103)、进料密封仓(109)、连续固态发酵罐体(105)、出料螺旋送料器(114)，其特征在于：送料器(101)的出口不通过进料斗而直接与进料螺旋送料器(102)的进口连接，进料螺旋送料器(102)上设有菌液喷淋管(103)，进料螺旋送料器(102)伸入进料密封仓(109)内并固定，进料密封仓(109)与连续固态发酵罐体(105)之间采用机械密封；连续固态发酵罐体(105)设有沿轴线向出口方向倾斜的倾角，所述连续固态发酵罐体(105)与水平面的倾角为1-5°，进料口端高于出料口端，罐体外壁上固定有齿圈(106)，变速机驱动装置(112)与齿圈(106)啮合，驱动连续固态发酵罐体(105)在托轮(110)的支承下回转，转速在0.03～0.4rpm之间可调；连续固态发酵罐体(105)的内壁安装若干组布料板，安装角度可调，用以改变物料的搅拌程度和调控物料流动速度；同组布料板等间距分布在同一截面上，不同截面的布料板交错排列，以改变物料搅拌程度和调控物料流动速度；所述连续固态发酵罐体(105)的出口处与出料螺旋送料器(114)相连接，所述出料螺旋送料器(114)设置在所述连续固态发酵罐体(105)轴线方向上，以连续排出经发酵的物料，所述出料螺旋送料器(114)上设置排气口(107)，并安装有呼吸阀(108)，所述出料螺旋送料器(114)与连续固态发酵罐体(105)之间采用机械密封，并与后续设备密封连接，所述进料螺旋送料器(102)和出料螺旋送料器(114)本身没有无叶片区段。
2.根据权利要求1所述的制取燃料乙醇的自控连续固态发酵装置，其特征在于：所述连续固态发酵罐体(105)在不同截面横穿直径的管上安装有多个测温口形成测温组(111)，以监测发酵罐内的温度。
3.根据权利要求1所述的制取燃料乙醇的自控连续固态发酵装置，其特征在于：所述连续固态发酵罐体(105)的内壁安装有若干组布料板，每组布料板数量为(1-5)×D(D为发酵罐直径，单位为m)个；同组布料板等间距分布在同一截面上，不同截面的布料板交错排列，以改变物料搅拌程度和调控物料流动速度。
4.根据权利要求1所述的制取燃料乙醇的自控连续固态发酵装置，其特征在于：所述装置各管口、连接部位，及其与前后其他设备连接处都采用密封连接，并与连续固态发酵罐体的回转运动相适应，保证运行全过程的密封效果。
5.一种制取燃料乙醇的连续固态发酵工艺，其特征在于，采用自控连续固态发酵装置进行上述工艺，所述装置包括：送料器(101)、进料螺旋送料器(102)、菌液喷淋管(103)、进料密封仓(109)、连续固态发酵罐体(105)、出料螺旋送料器(114)，其特征在于：送料器(101)的出口不通过进料斗而直接与进料螺旋送料器(102)的进口连接，进料螺旋送料器(102)上设有菌液喷淋管(103)，进料螺旋送料器(102)伸入进料密封仓(109)内并固定，进料密封仓(109)与连续固态发酵罐体(105)之间采用机械密封；连续固态发酵罐体(105)设有沿轴线向出口方向倾斜的倾角，所述连续固态发酵罐体(105)与水平面的倾角为1-5°，进料口端高于出料口端，罐体外壁上固定有齿圈(106)，变速机驱动装置(112)与齿圈(106)啮合，驱动连续固态发酵罐体(105)在托轮(110)的支承下回转，转速在0.03～0.4rpm之间可调；连续固态发酵罐体(105)的内壁安装若干组布料板，安装角度可调，用以改变物料的搅拌程度和调控物料流动速度；同组布料板等间距分布在同一截面上，不同截面的布料板交错排列，以改变物料搅拌程度和调控物料流动速度；所述连续固态发酵罐体(105)的出口处与出料螺旋送料器(114)相连接，所述出料螺旋送料器(114)设置在所述连续固态发酵罐体(105)轴线方向上，以连续排出经发酵的物料，所述出料螺旋送料器(114)上设置排气口(107)，并安装有呼吸阀(108)，所述出料螺旋送料器(114)与连续固态发酵罐体(105)之间采用机械密封，并与后续设备密封连接，所述进料螺旋送料器(102)和出料螺旋送料器(114)本身没有无叶片区段，所述工艺包含以下步骤：
(a)菌种添加：粉碎后的物料由送料器不通过进料斗直接送至进料螺旋送料器，在粉碎物料进入连续固态发酵罐体前在物料进入连续固态发酵罐体前的密闭进料螺旋送料器内向发酵原料中添加发酵菌种；发酵菌种接种量为5～20％(V/W)；菌种接种浓度为1～9×108/ml；
(b)连续固态发酵：将上述混菌原料在连续固态发酵罐中进行连续发酵，发酵时间24～30h，通过连续固态发酵罐体的自身回转运动实现物料的均匀混合并不断向出口方向运动，连续固态发酵罐体回转速度控制在0.03～0.4rpm，连续固态发酵罐体内的温度保持在25～40℃，使可发酵糖转化为乙醇，然后经出料螺旋送料器连续排出。
6.根据权利要求5所述的一种制取燃料乙醇的连续固态发酵工艺，其特征在于：所述发酵所用的菌种为CGMCC1949。
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