CN106497986A - 一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法，采用抽真空的方法脱除发酵液中的乙醇，降低乙醇对酵母的抑制作用，提高乙醇产率。该方法利用真空下发酵液中的乙醇易挥发的特点，通过抽真空的方式将发酵液中的乙醇原位移除，降低产物抑制，提高乙醇产率，同时结合吸收、精馏、干燥等过程，最终得到燃料乙醇。本发明可实现装置的长期稳定运行，同时回收副产CO2，具有流程短、操作方便、设备投资省、能耗低、乙醇回收率高、产品附加值高等优点。

Description

一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法
技术领域
本发明涉及一种新型的燃料乙醇生产技术领域，特别涉及一种采用真空发酵与精馏耦合制备燃料乙醇的方法。
背景技术
目前人们所利用的能源主要是以化石能源为主，随着世界经济的飞速发展，人类对化石能源的需求日益增加，由于化石能源属非可再生能源，其储量随着开采的进行不断减少，久而久之化石能源将走向枯竭。燃料乙醇作为一种新型的可再生能源，被认为是汽油的最佳替代品，已成为世界各国学者研究的焦点。
燃料乙醇生产大多采用发酵法，传统乙醇发酵过程中，随着发酵液中乙醇的不断累积，对酵母的抑制作用不断增强，当乙醇浓度达到一定程度时，酵母就会失去活性，不再产生乙醇，严重制约着燃料乙醇生产强度的提高和成本的降低。采用乙醇发酵耦合产物分离的方法可有效解决上述问题。目前乙醇发酵耦合产物分离的方法主要有：
（1）萃取发酵。萃取发酵是通过直接将萃取剂加入发酵液中提取乙醇的方法，由于乙醇在萃取剂中分配系数较大，因而可通过萃取的方法将乙醇从发酵液中提取出来。由于萃取剂直接与菌种接触，对菌种有较大毒害作用，较难实现工业化；
（2）气提发酵。气提发酵是利用发酵产生的CO2为载气进行循环，将发酵液中的乙醇以蒸汽的形式带出，使发酵液中乙醇浓度降低，达到消除或降低对菌种抑制作用的目的。由于气提发酵存在CO2夹带效率低、操作难度大等缺点，不能满足工业生产的要求；
（3）吸附发酵。吸附发酵是将吸附剂直接加入发酵液中或让发酵液循环地通过一个疏水性的分子筛吸附柱，使发酵液中的乙醇得到吸附，从而使发酵液中乙醇浓度保持在较低水平，达到减轻或消除乙醇抑制作用的目的。由于吸附发酵存在操作难度大、工艺复杂、分离成本较高等缺点，难以实现工业化生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种节能、环保、高效、乙醇回收率高的燃料乙醇生产方法。
本发明可实现燃料乙醇的连续生产，具有流程短、操作方便、设备投资省、能耗低、乙醇回收率高、产品附加值高等优点。
一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法，其特征在于真空泵设置于发酵罐与缓冲罐之间，具体步骤如下：
（1）将配制好的发酵液加入发酵罐中，各成分含量依次为：葡萄糖50～100 g/L，酵母膏10～20g/L，氯化钠1～10g/L，磷酸二氢钾0.1～1g/L，硫酸镁0.1～1g/L，硫酸铵0.1～1g/L，加料量为发酵罐容积的50～70%；
（2）灭菌：发酵罐灭菌温度100～120℃，灭菌时间30～60min。灭菌后，发酵罐温度控制为34～35℃，搅拌转速为100～600r/min；
（3）接种：待发酵罐温度和转速恒定后，接入活化后的安琪干酵母，接种量为1～10‰；
（4）真空发酵：当发酵液中乙醇浓度达到5～7%时，开启真空泵4，发酵液上方乙醇蒸汽经真空泵4进入换热器6，经冷凝后的气液混合物进入缓冲罐7，罐底液相物料由第30块塔板进入乙醇精馏塔9，罐顶气相物料进入乙醇吸收塔8，吸收液（去离子水）由吸收塔顶部自上而下与气体逆流接触，塔底吸收液由第35块塔板进入乙醇精馏塔9；
（5）乙醇脱水：乙醇精馏塔9的塔顶气相物料经全冷凝后，一部分作为回流，另一部分送往干燥器12，经分子筛脱水后得到无水乙醇产品。
所述发酵罐为全自控发酵罐，具有灭菌、搅拌、控温、耐负压等功能。
所述乙醇精馏塔采用浮阀式、筛板式、填料式，理论塔板数为45～50，塔顶操作压力为105～120kPa。
所述的乙醇吸收塔所用填料为三角、鲍尔环、拉西环、不锈钢θ环等，填料有效高度为1~2m。
所述的真空泵采用无油干式真空泵，如隔膜式真空泵、罗茨真空泵、螺杆式、涡旋式真空泵等，该泵抽气口压力≤100Pa，排气口压力≥150kPa。
所述的发酵罐真空度控制在0.01～0.08MPa，压力由压控阀5自动控制。
所述的过滤膜3具有过滤菌种、防止染菌的功能。
所述的冷凝器6为列管式、固定管板式、板翘式等换热器，冷却介质为15～16℃的水。
本发明的有益效果：
发明提供一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法，本方法将真空发酵与精馏、吸收、干燥等过程进行了有利耦合，最终得到乙醇含量为99.5%～99.9%（V）的燃料乙醇，本发明有效降低了发酵液中乙醇浓度，提高了乙醇产率，有效回收发酵过程产生的乙醇和CO2，具有流程短、操作方便、设备投资省、能耗低、乙醇回收率高、产品附加值高等优点。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方案
实施例1
将配好的发酵液加入发酵罐中，加料量为发酵罐容积的55%；启动灭菌程序，灭菌温度105℃，灭菌时间45min；灭菌完毕后，设定发酵罐温度为34℃，搅拌转速300r/min；待发酵罐温度恒定后，称量质量浓度为3‰的安琪干酵母，经复水活化15min后，投入发酵罐中开始发酵；发酵至20h，发酵液中乙醇浓达到6.5%，设定压控阀5真空度为0.08MPa，开启真空泵4，发酵罐上方含乙醇的蒸汽经真空泵4后进入冷凝器6，经冷凝后的物料进入缓冲罐7，顶部气相物料由底部进入吸收塔，气体流量为160L/h，去离子水流量为100g/h，进口气体乙醇含量为38mg/L，出口气体乙醇含量为0.01mg/L，吸收液出口乙醇含量为65%，由第35块塔板进入乙醇精馏塔9，底部液相物料由第30块塔板进入乙醇精馏塔9，流量为296g/h；打开乙醇精馏塔塔顶冷凝系统和塔釜加热电流，使塔釜平稳升温，当塔顶产生回流时，全回流30min，待塔顶、塔釜温度、回流速度稳定后，塔顶回流液中乙醇含量为93.6%，此时塔釜温度和压强分别为102.6℃和120KPa，塔顶温度和压强分别为78.1℃和115KPa；调节塔顶采出阀，使回流比控制在1.5，调节塔顶冷凝水使塔顶压力稳定在110KPa左右，控制塔釜液位在65%左右，稳定后乙醇精馏塔塔顶温度和压强分别为80.1℃和110KPa，塔釜温度和压强分别为102.2℃和113KPa，塔釜液中乙醇含量为0.8%，经分子筛干燥器干燥后，产品中乙醇含量为99.5%（V），发酵至48h，发酵液中葡萄糖浓度为0.1‰，整个过程发酵液中乙醇浓度为4～5%，乙醇回收率为99.6%。
实施例2
将配好的发酵液加入发酵罐中，加料量为发酵罐容积的65%；启动灭菌程序，灭菌温度120℃，灭菌时间30min；灭菌完毕后，设定发酵罐温度为35℃，搅拌转速500r/min；待发酵罐温度恒定后，称量质量浓度为8‰的安琪干酵母，复水活化15min后，投入发酵罐中开始发酵；发酵至16h，发酵液中乙醇浓达到6.6%，设定压控阀5真空度为0.06MPa，开启真空泵4，发酵罐上方含乙醇的蒸汽经真空泵4后进入冷凝器6，经冷凝后的物料进入缓冲罐7进行气液分离，顶部气相物料由底部进入吸收塔，与自上而下的去离子水进行气液传质，气体流量为145L/h，去离子水流量为90g/h，进口气体乙醇含量为32mg/L，出口气体乙醇含量为0.02mg/L，吸收液出口乙醇含量为64%，由第35块塔板进入乙醇精馏塔9，底部液相物料由第30块塔板进入乙醇精馏塔9，流量为165g/h；打开乙醇精馏塔塔顶冷凝系统，打开塔釜加热电流，使塔釜平稳升温，当塔顶产生回流时，全回流30min，待塔顶、塔釜温度、回流速度稳定后，塔顶回流液中乙醇含量为91.8%，此时塔釜温度和压强分别为103.2℃和118KPa，塔顶的温度和压强分别为77.4℃和112KPa；稳定后打开塔顶采出阀，调节采出流量，使回流比控制在1.8，通过调节塔顶冷凝水流量使塔顶压力稳定在110KPa左右，调节塔底采出阀使塔釜液位控制在70%左右，稳定后乙醇精馏塔塔顶温度和压强分别为78.1℃和108KPa，塔釜温度和压强分别为101.8℃和114KPa，塔釜液中乙醇含量为1.0%，经分子筛干燥后，产品中乙醇含量为99.7%（V），发酵至46h，发酵液中葡萄糖浓度为0.5‰，整个过程发酵液中乙醇浓度为4～5%，乙醇回收率为99.4%。

Claims (9)

1.一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法，其特征在于真空泵设置于发酵罐与缓冲罐之间，具体步骤如下：
（1）将配制好的发酵液加入发酵罐中，各成分含量依次为：葡萄糖50～100 g/L，酵母膏10～20g/L，氯化钠1～10g/L，磷酸二氢钾0.1～1g/L，硫酸镁0.1～1g/L，硫酸铵0.1～1g/L，加料量为发酵罐容积的50～70%；
（2）灭菌：发酵罐灭菌温度100～120℃，灭菌时间30～60min。
2.灭菌后，发酵罐温度控制为34～35℃，搅拌转速为100～600r/min；
（3）接种：待发酵罐温度和转速恒定后，接入活化后的安琪干酵母，接种量为1～10‰；
（4）真空发酵：当发酵液中乙醇浓度达到5～7%时，开启真空泵4，发酵液上方乙醇蒸汽经真空泵4进入换热器6，经冷凝后的气液混合物进入缓冲罐7，罐底液相物料由第30块塔板进入乙醇精馏塔9，罐顶气相物料进入乙醇吸收塔8，吸收液（去离子水）由吸收塔顶部自上而下与气体逆流接触，塔底吸收液由第35块塔板进入乙醇精馏塔9；
（5）乙醇脱水：乙醇精馏塔9的塔顶气相物料经全冷凝后，一部分作为回流，另一部分送往干燥器12，经分子筛脱水后得到无水乙醇产品。
3.根据权利要求1所述的一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法，其特征在于发酵罐为全自控发酵罐，具有灭菌、搅拌、控温、耐负压等功能。
4.根据权利要求1所述的一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法，其特征在于乙醇精馏塔采用浮阀式、筛板式、填料式，理论塔板数为45～50，塔顶操作压力为105～120KPa。
5.根据权利要求1所述的一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法，其特征在于乙醇吸收塔填料为三角、鲍尔环、拉西环、不锈钢θ环等，填料有效高度为1~2m。
6.根据权利要求1所述的一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法，其特征在于真空泵采用无油干式真空泵，如隔膜式、罗茨式、螺杆式、涡旋式真空泵等，该泵抽气口压力≤100Pa，排气口压力≥150kPa。
7.根据权利要求1所述的一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法，其特征在于发酵罐真空度控制在0.01～0.08MPa，其压力由压控阀5自动控制。
8.根据权利要求1所述的一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法，其特征在于过滤膜3具有隔离细菌、防止染菌的功能。
9.根据权利要求1所述的一种真空发酵与精馏耦合生产燃料乙醇的方法，其特征在于冷凝器6为列管式、固定管板式、板翘式等换热器，冷却介质为15～16℃的水。
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