CN103695301A - 一种提高生物质制燃料醇发酵效率的装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高生物质制燃料醇发酵效率的装置及工艺，它多孔分离膜设在发酵罐内发酵，燃料醇透过多孔分离膜并不断被抽离，由原料泵抽送至渗透汽化膜系统，在真空泵的作用下经渗透汽化膜系统进行膜分离富集得到燃料醇，富集到一定浓度在后方冷凝系统将富集的燃料醇冷凝并回收至产品储罐。本发明的突出特点在于能维持在最有利于发酵进行的状态下实现边发酵边分离，提高了发酵的强度和发酵效率，并使得发酵酵母的利用率最大化，在较短时间内获得更多燃料醇，此外还具有设备简单、分离能耗低的优点，易于与已有的发酵工艺集成，具有很强的实用性。

Description

一种提高生物质制燃料醇发酵效率的装置及工艺

技术领域

本发明涉及生物质发酵生产燃料醇过程中一种提高生物质发酵效率的装置及工艺，属于燃料醇制备领域。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的重要基础，用于支撑当前经济高速发展的石油等能源面临严峻挑战，燃料醇(主要为乙醇、丁醇)作为绿色并且可再生的能源，可以部分代替不可再生的石油等能源。伴随着科学技术日新月异的发展，淀粉类、糖类和各类食物纤维等生物质都将成为丰富的原料来源。由自然界来源广泛的生物质发酵生产燃料醇是一种高效的清洁能源技术，已成为各国关注和研究的热点，燃料醇在一定程度上是国家能源的一种有效的生产储备，燃料醇的开发与应用在化石资源日渐枯竭的今天有利于国家能源安全。此外，随着工业的发展和人口的增加，环保越来越成为迫切需要解决的问题，而燃料醇不仅不会对环境造成污染，相反可以改善大气环境。燃料乙醇作为一种以生物质为原料生产的可再生能源已广为人们所熟知。目前以甘蔗、玉米为原料的第一代燃料乙醇产业已经形成规模，2011年世界生物燃料总产量为9095 万吨，其中燃料乙醇产量为6680万吨，燃料乙醇已经成为世界消费量最大的生物燃料。而另一种生物能源——丁醇，由于其蒸汽压力低，能与汽油达到更高的混合比，比乙醇有着更好的应用前景，以生物质为原料生产燃料丁醇更是未来发展的方向。

燃料乙醇的生产方法主要分为化学合成法和生物发酵法，化学合成法是用石油裂解产出乙烯气体来合成乙醇，包括乙炔法、硫酸吸附法和乙烯直接水合法等。生物发酵法集成了热化学和生物发酵两种工艺过程。化学合成法从可持续发展和环保的角度已不合时宜，而发酵法生产的乙醇占全球总量的95%以上。丁醇可采用与乙醇相似的发酵工艺制取，但投资费用较高，生产过程需要较大的蒸发、加热、冷却等设施。当前发酵法生产燃料醇仍存在不少问题，如乙醇、丁醇发酵过程中，发酵产物乙醇、丁醇对微生物具有毒害作用，从而对发酵过程产生反馈抑制作用，致使发酵效率明显下降；此外，从发酵液中分离浓缩乙醇、丁醇，采用传统的蒸馏等方法能耗过高。因此，提高燃料醇的发酵效率，降低燃料醇的分离能耗，进而降低生产成本是生物质制燃料醇亟需解决的问题。

渗透汽化是一种选择分离有机溶剂或水的膜分离方法，具有能耗低、分离效率高、环境友好的优点。目前，利用渗透汽化耦合原位分离乙醇（或丁醇）的专利已有报道，专利CN101153290描述了提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法。该方法采用渗透汽化膜组件置于发酵罐中直接与发酵过程进行耦合，通过渗透汽化膜将发酵生成的乙醇直接在发酵罐中原位分离并不断移去，与传统蒸馏移除乙醇的方法相比，该方法分离能耗大大降低，省略了料泵等机械设备，降低了生产成本。但该专利将渗透汽化膜组件置于发酵罐中容易造成膜污染，从而使得膜的分离通量和选择性显著下降，不利于长期连续发酵并缩短了膜材料使用寿命。专利CN101235389描述了一种发酵和渗透汽化耦合生产乙醇的工艺。该工艺经发酵罐底部的过滤网式分离器将发酵罐中的固悬物与清液分开后再进行渗透汽化，并通过渗余液的循环冲洗来降低发酵罐底部的堵塞，降低了染菌的可能性，也降低下游渗透汽化分离过程的膜污染。但在该专利中，过滤精度低，仅去除大部分的菌丝体和固悬物，无法除去其它杂质，导致后续渗透汽化分离过程难以稳定运行。专利CN101805754描述了一种生物质发酵与渗透汽化耦合原位分离丙酮、丁醇和乙醇的工艺。该工艺将发酵液用泵抽出输入至渗透汽化膜前先进行微滤膜分离，解除了发酵产物抑制，提高生物质的发酵效率。但该工艺由于采用的是外置式微滤膜装置进行发酵液的预处理，因此在运行过程中，使得发酵罐中主体发酵环境发生变化，特别是发酵菌的浓度等关键参数难以控制；其次，微滤膜装置运行时，通过泵来实现发酵液的错流循环过滤，能耗较大，难以大规模工业化推广应用，再加上发酵菌在微滤膜装置运行时，泵的高速运转等因素会使得部分发酵菌失活甚至破碎和死亡，导致发酵菌数量减少和效率降低。本发明针对上述专利的不足，设计出一种提高生物质制燃料醇发酵效率的新工艺，该工艺在发酵罐中内置多孔分离膜，同时在发酵罐外设置渗透汽化膜，通过膜分离与发酵过程的耦合，形成低能耗、高效率的新型生物质发酵制燃料醇工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中高生物质制燃料醇发酵效率低的缺陷，提供一种提高生物质制燃料醇发酵效率的装置及工艺。

为解决上述问题，本发明一方面提出一种提高生物质制燃料醇发酵效率的装置，包括预处理系统、渗透汽化膜系统、冷凝系统、产品储罐和真空系统，所述预处理系统包括发酵罐，所述发酵罐内设有多孔分离膜装置，所述多孔分离膜装置包括支撑体，所述支撑体与发酵罐内的发酵液接触的一侧表面设有活性膜层，另一侧通过发酵罐外的真空管路与原料罐相连；所述渗透汽化膜系统包括渗透汽化膜，所述渗透汽化膜一侧与原料泵相连，另一侧与所述冷凝系统相连，所述原料泵与所述原料罐相连；所述冷凝系统包括冷凝器，所述冷凝器与产品储罐相连；所述真空系统包括第一真空泵和第二真空泵，所述第一真空泵设在所述支撑体和原料罐之间的真空管路上，所述第二真空泵与所述冷凝器相连。

根据本发明的提高生物质制燃料醇发酵效率的装置通过通过多孔分离膜、渗透汽化膜与发酵进行耦合，将发酵进行过程中的产物乙醇（或丁醇）在达到抑制发酵过程进行的浓度前将其提取出来，使得发酵的产物抑制被打破，有利于后续发酵的进行。通过将多孔分离膜内置于发酵罐中，解决现有的发酵液预处理工艺对发酵环境和条件影响较大的问题；通过多孔分离膜工艺与渗透汽化膜工艺的集成，实现集成工艺既是发酵终了的产物提取器，更是发酵过程中发酵促进器。

另外，根据本发明的提高生物质制燃料醇发酵效率的装置还具有如下附加技术特征 ：

优选的，还包括回料系统，所述回料系统包括在所述渗透汽化膜系统和原料缸之间设有用于在渗透汽化膜处理后产生的未透过的料液返回所述原料缸的管路，以及在渗透汽化膜系统和发酵罐之间用于在渗透汽化膜处理后产生的未透过的料液返回所述发酵罐的管路。

优选的，所述渗透汽化膜系统和发酵罐之间的管路上设有流量计。由流量计控制返回发酵罐维持一定的乙醇浓度使其更有利于发酵。

优选的，还包括补料罐，所述补料罐与进料泵相连，进料泵与所述发酵罐相连。

优选的，所述渗透汽化膜系统由单个或多个单元渗透汽化膜串联或并联组成，各单元渗透汽化膜的透过侧通过管路并联于所述第二真空泵。通过膜单元的增减和膜单元的串联的级数调配渗透汽化膜系统的生产能力和所获得乙醇（或丁醇）浓度。

优选的，所述多孔分离膜和渗透汽化膜为管式、卷式、平板或中空纤维膜形式。

本发明另一方面提供一种提高生物质制燃料醇发酵效率的工艺，包括以下步骤：

（1）生物质原料经预处理，投入生物质发酵罐内发酵；

（2）在发酵罐内形成的燃料醇在真空系统压差的作用下透过多孔分离膜进入真空系统，并不断被抽离发醇罐；

（3）抽出的发酵液送到渗透汽化膜，经渗透汽化膜的处理，燃料醇透过渗透汽化膜并以气态的形式在渗透汽化膜的另一侧富集；

（4）在渗透汽化膜另外一侧富集的燃料醇进入冷凝系统，将富集的燃料醇冷凝并回收至产品储罐。

优选的，还包括当发酵液的燃料醇的浓度降低到一定浓度时，所形成的低浓度发酵液返回至发酵罐并与发酵罐中发酵液进行混合，从而达到发酵罐中的燃料醇浓度在发酵过程中保持不变的步骤。

优选的，所述低浓度发酵液为未透过渗透汽化膜的料液，该料液一部分返回原料罐，另一部分返回发醇罐。

优选的，所述生物质是淀粉质原料，主要有木薯、甘薯、玉米、马铃薯、小麦、大米、高粱等；可以是糖质原料，主要有甘蔗、糖蜜、甜菜等；可以是纤维素原料，主要有农作物秸秆、森林采伐和木材加工剩余物、柴草、造纸厂和造糖厂含有纤维素的下脚料、生活垃圾的一部分等；也可以是淀粉厂的淀粉渣、奶酪工业的副产品等其他原料。

优选的，所述多孔分离膜截留分子量为5000〜50000道尔顿或孔径在5μm〜1nm。多孔分离膜主要要求具有截留发酵菌体的功能。活性膜的材质是纤维素及其衍生物、聚砜、聚醚砜、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚酰胺或无机陶瓷中的一种或几种。本发明优先推荐抗污染、耐溶剂、易清洗、易组装的陶瓷材质外压单管膜。

优选的，所述的发酵液预处理系统是由多孔分离膜内置于发酵罐中，根据发酵罐的实际构造和发酵过程中产物浓度的分布进行多孔膜的排布方式和排布密度，并通过发酵液预处理装置和渗透汽化装置的未透过膜的料液回流发酵罐中保持产物乙醇（或丁醇）浓度稳定。产物浓度的选择以打破产物对发酵过程产生反馈抑制为原则，本发明建议以粮食发酵生产乙醇保持发酵液乙醇浓度为6〜12%（体积浓度）；以粮食发酵生产丁醇保持发酵液丁醇浓度为0.8〜1.5%（体积浓度）。

优选的，所述的渗透汽化膜是具有优先透过乙醇（或丁醇）等有机物的特定功能性膜，材质可以是硅橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚三甲基硅丙炔、聚丙烯、聚丙烯腈、聚丁二烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、丁睛橡胶、聚醚酰胺嵌段共聚物或无机型分子筛中的一种或几种复合而成。

本发明将多孔分离膜组件内置在发酵罐内，使得生物质的发酵和发酵产物的分离两个过程耦合在一个装置中进行，避免了杂菌污染，有效降低了发酵液预处理过程对发酵环境的影响，同时多孔分离膜对发酵液的预处理作用也有效降低了微生物对渗透汽化膜的污染，有利于提高渗透汽化膜的分离效率与操作稳定性；其次，在发酵过程中，本发明通过多孔膜的未透过膜的料液和渗透汽化未透过膜的料液返回至发酵罐，并保持渗透汽化膜系统提取产物的速度与发酵罐中生成的产物速度相一致，使得发酵罐中产物浓度保持在理想的条件下，从而减小甚至消除产物对发酵过程的抑制作用，保持发酵体系向着产物生成的方向进行，提高了发酵的强度和发酵效率，并使得发酵酵母的利用率最大化；第三，本发明采用内置式多孔分离膜预处理装置，与已有的外置式方法相比，抽提的分离过程能耗大幅度降低，而且易于与已有的发酵系统集成，具有很强的实用性。

下面对本发明的工艺及原料作具体描述如下：

（1）生物质原料经预处理工序，调制成料浆，投入生物质发酵罐内，接种微生物菌体，使料浆在温度为25〜45℃下进行发酵处理；

（2）在发酵罐内设置以有机聚合物或无机陶瓷或不锈钢为支撑体的多孔分离膜装置，支撑体与发酵液接触的一侧表面制备一层或多层具有分离功能的活性膜层，另一侧与发酵罐外真空系统相连形成发酵液预处理系统。当发酵罐内生成的产物燃料醇达到一定浓度时，启动预处理系统，通过真空系统在膜的两侧形成一定的压差（透过侧保持一定的真空度），发酵液中的燃料醇、水和水溶性物质及小分子物质混合的发酵液透过膜进入透过侧并不断被抽离发酵罐，而发酵液中的菌体等固形物或大分子物质均不能通过多孔分离膜而保留在发酵罐中。

（3）经步骤（2）抽出的发酵液通过原料泵抽送至渗透汽化膜系统，发酵液经渗透汽化膜处理后，发酵液中的大部分燃料醇透过渗透汽化膜并以气态的形式在膜的另外一侧进行富集；当发酵液的燃料醇浓度降低到一定浓度时，所形成的低浓度发酵液返回至发酵罐并与发酵罐中发酵液进行混合，从而达到发酵罐中的燃料醇浓度在发酵过程中保持不变。由于渗透汽化膜只能透过乙醇和少量的水，因此，在整个工艺过程中，发酵罐中除了乙醇和水被提取一部分外，其他的任何物质均未被提取，从而有效地减少了本工艺对发酵环境的改变。

（4）经步骤（3）在渗透汽化膜另外一侧富集的燃料醇进入冷凝系统，将富集的燃料醇冷凝并回收至产品储罐，该产品为高浓度燃料醇溶液。在发酵过程中，冷凝所得到的燃料醇的速度与发酵罐中产生的燃料醇相等，从而保证了发酵系统中燃料醇浓度不变，打破了产物抑制，加快了发酵速率。在发酵终了，发酵罐中所生产的燃料醇也可通过本工艺实现产物的提取，从而无需通过蒸馏即可得到较高浓度的产品。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明工艺的技术路线图；

图2 为本发明实施例1的装置示意图；

图3为本发明实施例2、3的装置示意图。

附图标记说明：

预处理系统1；发酵罐11；多孔分离膜12；预处理液体收集罐13；渗透汽化膜系统2；原料罐21；原料泵22；渗透汽化膜23；冷凝系统3；冷凝器31；产品储罐4；真空系统5；第一真空泵51；第二真空泵52；补料罐6；进料泵7；流量计8。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照图1描述根据本发明实施例的一种提高生物质制燃料醇发酵效率的装置作进一步描述。如图1－3所示，本发明的提高生物质制燃料醇发酵效率的装置，包括预处理系统1、渗透汽化膜系统2、冷凝系统3、产品储罐4和真空系统5。预处理系统1包括发酵罐11，发酵罐11内设有多孔分离膜装置，多孔分离膜12装置包括支撑体，支撑体与发酵罐11内的发酵液接触的一侧表面设有活性膜层，另一侧通过发酵罐11外的真空管路与原料罐21相连；渗透汽化膜系统2包括渗透汽化膜23，渗透汽化膜23一侧与原料泵22相连，另一侧与冷凝系统3相连，原料泵22与原料罐21相连；冷凝系统3包括冷凝器31，冷凝器31与产品储罐4相连；真空系统5包括第一真空泵51和第二真空泵52，第一真空泵51设在支撑体和原料罐21之间的真空管路上，第二真空泵52与冷凝器31相连。

还包括回料系统，回料系统包括在渗透汽化膜系统2和原料缸之间设有用于在渗透汽化膜23处理后产生的未透过的料液返回原料缸的管路，以及在渗透汽化膜系统2和发酵罐11之间用于在渗透汽化膜23处理后产生的未透过的料液返回发酵罐11的管路。渗透汽化膜系统2和发酵罐11之间的管路上设有流量计8。

本发明中在第一真空泵51和原料罐21之间还设有预处理液体收集罐13。本装置还可以包括补料罐6，补料罐6与进料泵7相连，进料泵7与发酵罐11相连。

渗透汽化膜系统2由单个或多个单元渗透汽化膜串联或并联组成，各单元渗透汽化膜的透过侧通过管路并联于第二真空泵52。通过膜单元的增减和膜单元的串联的级数调配渗透汽化膜系统2的生产能力和所获得乙醇（或丁醇）浓度。

多孔分离膜12的截留分子量为5000〜50000道尔顿或孔径在5μm〜1nm，主要要求具有截留发酵菌体的功能。活性膜的材质是纤维素及其衍生物、聚砜、聚醚砜、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚酰胺或无机陶瓷中的一种或几种。本发明优先推荐抗污染、耐溶剂、易清洗、易组装的陶瓷材质外压单管膜。

多孔分离膜12和渗透汽化膜23为管式、卷式、平板或中空纤维膜形式。

以下结合实施例对本发明工艺路线作进一步描述：

实施例1 一种提高玉米制燃料乙醇发酵效率的工艺

以生物质玉米为原料，采用本发明工艺制乙醇，其工艺流程图如图2所示，其中11是发酵罐，12是陶瓷多孔分离膜，51是第一真空泵，13是预处理液体收集罐，21是原料罐，22是原料泵，23是渗透汽化膜，31是冷凝器，4是产品储罐，52是第二真空泵，8是流量计。玉米经粉碎、糊化、糖化、灭菌后进入发酵罐11中，同时接种微生物在33℃发酵，按照终了14%(v/v)酒精度配置初始底物浓度，主发酵期酒精度达到10%(v/v)时开启第一真空泵51和第二真空泵52，使透过侧的绝对压力低于10000Pa，发酵液中的乙醇水溶液透过陶瓷多孔分离膜12并不断被抽离发酵罐11至原料罐21，原料罐21的液体经原料泵22抽送至渗透汽化膜系统2，开启渗透汽化装置，经渗透汽化膜23分离富集得到乙醇，富集到一定浓度在后方冷凝器31将富集的乙醇冷凝并回收至产品储罐4；在膜系统处理后产生的未透过的料液一部分返回原料罐21循环渗透汽化，另一部分由流量计8控制返回发酵罐11维持一定的乙醇浓度使其更有利于发酵。温度在33℃下发酵39h后发酵罐11总残糖含量在2.9%，可水解糖为0，渗透汽化膜23的渗透侧酒精浓度为45%(v/v)，乙醇收率虽然与传统工艺相当，但能耗和发酵周期却大大减少。

本例实现了玉米发酵制燃料乙醇，将陶瓷多孔分离膜12组件内置在发酵罐11内，避免了细菌污染，有效降低了发酵液预处理过程对发酵环境的影响；其次，在发酵过程中保持渗透汽化膜系统2提取乙醇的速度与发酵罐11中生成乙醇速度相一致，使得发酵罐11中乙醇浓度保持在理想的条件下，从而减小甚至消除乙醇对发酵过程的抑制作用，保持发酵体系向着乙醇生成的方向进行，提高了发酵的强度和发酵效率，并使得发酵酵母的利用率最大化；第三，与已有的方法相比，本发明不仅分离过程的能耗大大降低，而且易于与已有的发酵工艺集成，具有很强的实用性。

实施例2 一种提高玉米制燃料乙醇连续发酵效率的工艺

以生物质玉米为原料，采用本发明工艺制乙醇，其工艺流程图如图3所示，其中6是补料罐，7是进料泵，11是发酵罐，12是陶瓷多孔分离膜，51是第一真空泵，21是原料罐，22是原料泵，23是渗透汽化膜，31是冷凝器，4是产品储罐，52是第二真空泵，8是流量计。玉米经粉碎、糊化、糖化、灭菌后进入发酵罐11，接种微生物后在33℃发酵，按照终了14%(v/v)乙醇度配置初始底物浓度，主发酵期乙醇浓度达到10%(v/v)时开启第一真空泵51和第二真空泵52，使透过侧的绝对压力低于10000Pa，发酵液中的乙醇水溶液透过陶瓷多孔分离膜12并不断被抽离发酵罐11至原料罐21，原料罐21的液体经原料泵22抽送至渗透汽化膜系统2，开启渗透汽化装置，经渗透汽化膜23分离富集得到乙醇，富集到一定浓度在后方冷凝器31将富集的乙醇冷凝并回收至产品储罐4；在膜系统处理后产生的未透过的料液一部分返回原料罐21循环渗透汽化，另一部分由流量计8控制返回发酵罐11维持一定的乙醇浓度使其更有利于发酵。系统稳定后，发酵罐11中的酒精浓度维持在10%(v/v)，开启原料泵22不断地从补料罐6中将原料液补加到发酵罐11中，补加速度与发酵速度、渗透汽化膜23分离酒精的速度相匹配，从而形成连续发酵过程。温度在33℃下发酵进行90h后，原料泵22停止向发酵罐11补料，再继续发酵15h后，总残糖含量在2.9%，可水解糖为0，渗透汽化膜23的渗透侧酒精浓度为45%(v/v)，乙醇收率与传统工艺相比略有提高，能耗和发酵周期相对间歇发酵却大大减少，微生物使用量减少了二分之一。

本例实现了玉米连续发酵制燃料乙醇，除具有实施例1的优点外，该工艺可以节省二分之一以上的酵母使用量，从而可以降低微生物对营养物质的消耗，以提高粮食利用率。

实施例3 一种提高玉米秸秆制燃料丁醇连续发酵效率的工艺

以生物质玉米秸秆为原料，采用本发明工艺制丁醇，其工艺流程图如图3所示，其中6是补料罐，7是进料泵，11是发酵罐，12是陶瓷多孔分离膜12，51是第一真空泵，21是原料罐，22是原料泵，23是渗透汽化膜，31是冷凝器，4是产品储罐，52是第二真空泵，8是流量计。玉米秸秆经蒸汽爆破处理、酸水解、酶水解后制成料浆进入补料罐6，开启进料泵7进入发酵罐11，接种微生物后在36℃发酵，按照终了1.6%(v/v)丁醇度配置初始底物浓度，主发酵期丁醇浓度达到1.2%(v/v)时开启第一真空泵51和第二真空泵52，使透过侧的绝对压力低于10000Pa，发酵液中的丁醇水溶液透过陶瓷多孔分离膜12并不断被抽离发酵罐11至原料罐21，原料罐21的液体经原料泵22抽送至渗透汽化膜系统2，开启渗透汽化装置，经渗透汽化膜23分离富集得到丁醇，富集到一定浓度在后方冷凝器31将富集的丁醇冷凝并回收至产品储罐4；在膜系统处理后产生的未透过的料液一部分返回原料罐21循环渗透汽化，另一部分由流量计8控制返回发酵罐11维持一定的丁醇浓度使其更有利于发酵。系统稳定后，发酵罐11中的丁醇浓度维持在1.2%(v/v)，开启原料泵22不断地从补料罐6中将原料液补加到发酵罐11中，补加速度与发酵速度、渗透汽化膜23分离丁醇的速度相匹配，从而形成连续发酵过程。温度在36℃下发酵进行85h后，原料泵22停止向发酵罐11补料，再继续发酵27h后，总残糖含量在2.3%，可水解糖为0，渗透汽化膜23的渗透侧丁醇浓度为25%(v/v)，丁醇收率虽与传统工艺相当，但能耗和发酵周期却大大减少。

本实例实现了玉米秸秆连续发酵制燃料丁醇，将陶瓷多孔分离膜12组件内置在发酵罐11内，避免了细菌污染，有效降低了发酵液预处理过程对发酵环境的影响；其次，在发酵过程中保持渗透汽化膜系统2提取丁醇的速度与发酵罐11中生成丁醇速度相一致，使得发酵罐11中丁醇浓度保持在理想的条件下，从而减小甚至消除丁醇对发酵过程的抑制作用，保持发酵体系向着丁醇生成的方向进行，提高了发酵的强度和发酵效率，并使得发酵酵母的利用率最大化；第三，该工艺可以节省二分之一以上的酵母使用量，从而可以降低微生物对营养物质的消耗，以提高粮食利用率；第四，与已有的方法相比，本发明不仅分离过程的能耗大大降低，而且易于与已有的发酵工艺集成，具有很强的实用性。

综上，本发明的工艺将多孔分离膜组件内置在发酵罐内形成发酵液预处理系统，乙醇（或丁醇）透过多孔分离膜并不断被抽离发酵罐，由原料泵抽送至渗透汽化膜系统，在真空泵的作用下经渗透汽化膜系统进行膜分离富集得到乙醇（或丁醇），富集到一定浓度在后方冷凝系统将富集的乙醇（或丁醇）冷凝并回收至产品储罐，未透过膜的料液回流保持发酵罐中产物乙醇（或丁醇）浓度的稳定。本发明的突出特点在于能维持在最有利于发酵进行的状态下实现边发酵边分离，提高了发酵的强度和发酵效率，并使得发酵酵母的利用率最大化，在较短时间内获得更多燃料醇，此外还具有设备简单、分离能耗低的优点，易于与已有的发酵工艺集成，具有很强的实用性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种提高生物质制燃料醇发酵效率的装置，其特征在于，预处理系统、渗透汽化膜系统、冷凝系统、产品储罐和真空系统，所述预处理系统包括发酵罐，所述发酵罐内设有多孔分离膜装置，所述多孔分离膜装置包括支撑体，所述支撑体与发酵罐内的发酵液接触的一侧表面设有活性膜层，另一侧通过发酵罐外的真空管路与原料罐相连；所述渗透汽化膜系统包括渗透汽化膜，所述渗透汽化膜一侧与原料泵相连，另一侧与所述冷凝系统相连，所述原料泵与所述原料罐相连；所述冷凝系统包括冷凝器，所述冷凝器与产品储罐相连；所述真空系统包括第一真空泵和第二真空泵，所述第一真空泵设在所述支撑体和原料罐之间的真空管路上，所述第二真空泵与所述冷凝器相连。

2.根据权利要求1所述的提高生物质制燃料醇发酵效率的装置，其特征在于，还包括回料系统，所述回料系统包括在所述渗透汽化膜系统和原料缸之间设有用于在渗透汽化膜处理后产生的未透过的料液返回所述原料缸的管路，以及在渗透汽化膜系统和发酵罐之间用于在渗透汽化膜处理后产生的未透过的料液返回所述发酵罐的管路，该管路上设有流量计。

3.根据权利要求1所述的提高生物质制燃料醇发酵效率的装置，其特征在于，还包括补料罐，所述补料罐与进料泵相连，进料泵与所述发酵罐相连。

4.根据权利要求1所述的提高生物质制燃料醇发酵效率的装置，其特征在于，所述渗透汽化膜系统由单个或多个单元渗透汽化膜串联或并联组成，各单元渗透汽化膜的透过侧通过管路并联于所述第二真空泵。

5.根据权利要求1所述的提高生物质制燃料醇发酵效率的装置，其特征在于，所述多孔分离膜和渗透汽化膜为管式、卷式、平板或中空纤维膜形式。

6.一种提高生物质制燃料醇发酵效率的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

（1）生物质原料经预处理，投入生物质发酵罐内发酵；

（2）在发酵罐内形成的燃料醇在真空系统压差的作用下透过多孔分离膜进入真空系统，并不断被抽离发醇罐；

（3）抽出的发酵液送到渗透汽化膜，经渗透汽化膜的处理，燃料醇透过渗透汽化膜并以气态的形式在渗透汽化膜的另一侧富集；

（4）在渗透汽化膜另外一侧富集的燃料醇进入冷凝系统，将富集的燃料醇冷凝并回收至产品储罐。

7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，还包括当发酵液的燃料醇的浓度降低到一定浓度时，所形成的低浓度发酵液返回至发酵罐并与发酵罐中发酵液进行混合，从而达到发酵罐中的燃料醇浓度在发酵过程中保持不变的步骤。

8.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，所述低浓度发酵液为未透过渗透汽化膜的料液，该料液一部分返回原料罐，另一部分返回发醇罐。

9.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，所述生物质是淀粉质原料，主要包括木薯、甘薯、玉米、马铃薯、小麦、大米、高粱等；或者是糖质原料，主要包括甘蔗、糖蜜、甜菜等；或者是纤维素原料，主要包括农作物秸秆、森林采伐和木材加工剩余物、柴草、造纸厂和造糖厂含有纤维素的下脚料、生活垃圾等；或者是淀粉厂的淀粉渣、奶酪工业的副产品等其他原料。

10.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，所述多孔分离膜截留分子量为5000〜50000道尔顿或孔径在5μm〜1nm。

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