CN107354185A - 一种提高木薯发酵生产燃料乙醇得率的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高木薯发酵生产燃料乙醇得率的工艺，属于酒精生产技术领域。在传统的生产工艺基础上，采用蒸汽爆破技术对原料进行预处理。汽爆预处理后，木薯中剩余的木质纤维素与木薯淀粉彻底分离，更多淀粉被释放；植物组织细胞壁的破裂，使木薯淀粉糊化率提高，更易于后续糖化过程的进行；蒸汽爆破后木薯固态发酵，增加了发酵醪中乙醇浓度，减少了残糖含量。该工艺提高了木薯发酵生产燃料乙醇的得率，为木薯的充分开发利用及燃料乙醇的生产提供了新思路，对保证能源发展与粮食安全具有重要意义。

Description

一种提高木薯发酵生产燃料乙醇得率的工艺
技术领域
本发明属于酒精生产技术领域，具体涉及一种提高木薯发酵生产燃料乙醇得率的工艺。
背景技术
燃料乙醇以其高辛烷值、抗爆性好而成为应用最广泛的生物燃料，同时随着全球环境污染严重，石油资源逐步减少之际，多数国家开始将其作为理想的汽油替代品。我国也非常重视燃料乙醇的开发，国家计委在2000年已宣布中国将全面推广使用车用乙醇汽油。截至目前已有多个省市进行了乙醇燃料试点推广工作。
目前，各国根据实际情况分别以不同的原料进行生物酒精的生产，而现阶段，我国生物酒精的生产主要是以玉米等“陈化粮”为原料。中国作为能源消费大国，对进口原油的依存度一直持续在50%以上，从国家能源发展的战略安全考虑，生产绿色、低碳、清洁的可再生燃料乙醇，特别是非粮燃料乙醇，不占用口粮，是当前能源的有益和必要补充。
木薯，别名木番薯、树薯，是世界三大薯类(马玲薯、甘薯、木薯)之一。在我国大多省份普遍栽培，种植面积约有930万公顷，每年全国总产量约4.5亿吨。木薯为大戟科植物，木薯的块根呈圆锥形、圆柱形或纺锤形，肉质富含淀粉，可部分替代玉米、小麦等粮食作物成为生产乙醇的淀粉质原料。
木薯中含有多种组分，其中包括1～3%的粗纤维，而在粉碎过后木薯干皮中仍存有残余的木质纤维素，这些组分难以与木薯淀粉彻底分离，这不仅降低了木薯淀粉的产率，也影响了后续的资源利用率。此外，传统的粉碎步骤并不能将植物组织的细胞壁充分破裂，从而影响后续淀粉糊化糖化过程的进行。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高木薯发酵生产燃料乙醇得率的新工艺，在其传统的生产工艺上将蒸汽爆破技术应用于木薯原料的预处理。汽爆预处理后植物组织细胞壁破裂，释放出更多的木薯淀粉，提高了淀粉的糊化率；此外，汽爆过程将木薯干片中剩余的木质纤维素与木薯淀粉充分分离，提高了木薯淀粉的利用率，最终提高木薯发酵生产燃料乙醇的得率，这对燃料乙醇生产工艺的改进以及产率的提高均具有积极意义。
本发明采用的技术方案是：
一提高木薯发酵生产燃料乙醇得率的工艺，包括以下步骤：
一、木薯干片原料的粉碎：木薯干片原料粉碎后过直径为1.2～1.8mm的筛网，得过筛后的物料；
二、汽爆：将粉碎过筛的物料进行汽爆处理，汽爆条件：压力0.5～3MPa，时间5～20min；
三、拌料：将汽爆后的物料与水按质量比1∶(2.5～3)混合配料，配料时的温度在55～70℃，得混合后料液；
四、蒸煮液化：将混合后料液进行蒸煮，温度保持在90～105℃，并添加液化酶6u/g淀粉质原料，液化时间为80～100分钟，得蒸煮液化后料液；
五、糖化：蒸煮液化完毕后，将上述蒸煮液化后料液冷却至58～62℃，用质量浓度98％浓硫酸将蒸煮液化后料液调至pH4～4.5；将蒸煮液化后料液按100～150u/g淀粉质原料加入糖化酶，同时按占淀粉质原料0.1～0.18％的质量百分比加入尿素，糖化时间为30～40分钟，得糖化完的醪液；
六、种母培养：将糖化完的醪液冷却至28～35℃，输送至种母罐中，以按淀粉质原料干物质质量的0.1％的质量百分比接入活性干酵母，培养温度为28℃～30℃，培养8～14小时后种母成熟，种母成熟指标为细胞数1.0～1.5×108/ml，出芽率15％～30％，死亡率0.1%~1％；
七、发酵：待种母成熟后，按种母醪液占发酵培养基的10％～20％体积分数将种母醪液接种在发酵培养基上，接至发酵罐中发酵60～96小时，发酵温度为28～32℃，当酒度为11.5％~13%、残糖质量浓度0.1%~0.9％时，将发酵后的发酵醪液输送至蒸馏单元；
八、蒸馏、精馏：发酵醪液经发酵醪泵自醪池输送到醪液预热器与精馏塔顶汽体换热后，进入粗馏塔进行蒸馏，粗馏塔釜压控制范围0.04～0.06Mpa，粗馏塔底温控制范围109～114℃，粗馏塔顶温控制范围95～104℃；
粗馏塔塔顶导出的粗酒精导入精馏塔，在精馏塔除去非挥发性物质和轻重组分，塔顶气相物料经过冷凝器冷凝后进入精馏塔回流罐回流，精馏塔釜压控制范围0.02～0.04Mpa，精馏塔底温度控制范围105～109℃，精馏塔顶温度控制范围77～80℃，精馏塔中间温度控制范围82～84℃。精馏后得到乙醇—水共沸组成；
九、脱水:乙醇分子筛吸附：将精馏塔的乙醇蒸汽通过再沸器加热后进入分子筛塔脱水，加热至140～170℃，并在0.3～0.4Mpa吸附压力下通过0.05～0.1mm的3A分子筛进行3～10分钟的吸附，吸附后的气体经冷凝得到燃料乙醇。
本发明的有益效果为：
(1)采用蒸汽爆破技术对木薯进行预处理，将木薯淀粉与木质纤维素充分分离，释放更多的木薯淀粉，提高了后续资源的利用率。
(2)采用蒸汽爆破技术对木薯进行预处理，由于蒸汽爆破的热机械化学作用，使植物组织的细胞壁破裂，使木薯淀粉糊化率提高，有利于糖化过程的进行。
(3)本发明将蒸汽爆破处理的木薯固态发酵，提高发酵醪中乙醇浓度，降低产物中的残糖含量，从而提高燃料乙醇的得率，达到木薯充分开发利用的目的。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明，以下实施例用以说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种提高木薯发酵生产燃料乙醇得率的工艺，包括以下步骤：
一、原料粉碎：将木薯原料粉碎后过直径为1.5mm的筛网，得过筛后的物料。
二、汽爆：将粉碎过筛后的物料进行汽爆处理，汽爆条件为：压力1.5MPa，时间10min。
三、拌料：将汽爆后的物料与水按质量比1：2.5进行混合配料，控制水的温度为55℃，得混合后料液；
四、蒸煮液化：将混合后料液进行蒸煮，温度保持在95℃，并添加液化酶6u/g淀粉质原料，液化时间为80分钟，得蒸煮液化后料液；
五、糖化：蒸煮液化完毕后，将上述蒸煮液化后料液冷却至58℃，用质量浓度98%浓硫酸将蒸煮液化后料液调pH为4，将蒸煮液化后料液按100u/g木薯原料加入糖化酶，同时按占木薯原料0.12%的质量百分比加入尿素，糖化时间为30分钟，得糖化完的醪液；
六、种母培养：将糖化完的醪液冷却至28℃，输送至种母罐中，以按木薯原料干物质质量的0.1%的质量百分比接入活性干酵母，培养温度为28℃，培养时间10小时后种母成熟，种母成熟指标：细胞数1.0×108/ml,出芽率15%，死亡率0.9%；
七、发酵：待种母成熟后，按种母醪液占发酵培养基的10%体积分数将种母醪液接种在发酵培养基上，接至发酵罐中发酵60小时，发酵温度为28℃，当酒度为12%、残糖质量浓度为0.7%时，将发酵后的发酵醪液输送至蒸馏单元；
八、蒸馏、精馏：发酵醪液经发酵醪泵自醪池输送到醪液预热器与精馏塔顶汽体换热后，进入粗馏塔进行蒸馏，粗馏塔釜压控制在0.04Mpa，粗馏塔底温控制110℃，粗馏塔顶温控制98℃；
粗馏塔塔顶导出的粗酒精导入精馏塔，在精馏塔除去非挥发性物质和轻重组分，塔顶气相物料经过冷凝器冷凝后进入精馏塔回流罐回流，精馏塔釜压控制在0.02Mpa，精馏塔底温控制在105℃，精馏塔顶温控制在78℃，精馏塔中温控制在82℃。精馏后得到乙醇—水共沸组成。
九、脱水步骤
将精馏塔的乙醇蒸汽通过再沸器加热后进入分子筛塔脱水，加热至140℃，并在0.3Mpa吸附压力下通过0.05mm的3A分子筛进行5分钟吸附，吸附后的气体经冷凝即可得燃料乙醇。
实施例2
一种提高木薯发酵生产燃料乙醇得率的工艺，包括以下步骤：
一、原料粉碎：将木薯原料粉碎后过直径为1.8mm的筛网，得过筛后的物料。
二、汽爆：将粉碎过筛后的物料进行汽爆处理，汽爆条件为：压力1.8MPa，时间12min。
三、拌料：将汽爆后的物料与水按质量比1：2.8进行混合配料，控制水的温度为55℃，得混合后料液；
四、蒸煮液化：将混合后料液进行蒸煮，温度保持在100℃，并添加液化酶6u/g淀粉质原料，液化时间为100分钟，得蒸煮液化后料液；
五、糖化：蒸煮液化完毕后，将上述蒸煮液化后料液冷却至60℃，用质量浓度98%浓硫酸将蒸煮液化后料液调pH4.2，将蒸煮液化后料液按125u/g木薯原料加入糖化酶，同时按占木薯0.14%的质量百分比加入尿素，糖化时间为35分钟，得糖化完的醪液；
六、种母培养：将糖化完的醪液冷却至32℃，输送至种母罐中，以按木薯干物质质量的0.1%的质量百分比接入活性干酵母，培养温度30℃，培养12小时后种母成熟，种母成熟指标：细胞数1.3×108/ml，出芽率20%，死亡率0.8%；
七、发酵：待种母成熟后，按种母醪液占发酵培养基的15%体积分数将种母醪液接种在发酵培养基上，接至发酵罐中发酵78小时，发酵温度为30℃，当酒度为12.8%、残糖质量浓度为0.75%时，将发酵后的发酵醪液输送至蒸馏单元；
八、蒸馏、精馏步骤：
发酵醪液经发酵醪泵自醪池输送到醪液预热器与精馏塔顶汽体换热后，进入粗馏塔进行蒸馏，粗馏塔釜压控制在0.05Mpa，粗馏塔底温控制111℃，粗馏塔顶温控制100℃；
粗馏塔塔顶导出的粗酒精导入精馏塔，在精馏塔除去非挥发性物质和轻重组分，塔顶气相物料经过冷凝器冷凝后进入精馏塔回流罐回流，精馏塔釜压控制在0.03Mpa，精馏塔底温控制在106℃，精馏塔顶温控制在78℃，精馏塔中间温度控制在83℃。精馏后得到乙醇—水共沸组成。
九、脱水步骤
将精馏塔的乙醇蒸汽通过再沸器加热后进入分子筛塔脱水，加热至150℃，并在0.3Mpa吸附压力下通过0.1mm的3A分子筛进行6分钟吸附，吸附后的气体经冷凝即可得燃料乙醇。
实施例3
一种提高木薯发酵生产燃料乙醇得率的工艺，包括以下步骤：
一、原料粉碎：将木薯原料粉碎后过直径为1.8mm的筛网，得过筛后的物料。
二、汽爆：将粉碎过筛后的物料进行汽爆处理，汽爆条件为：压力2MPa，时间15min。
三、拌料：将汽爆后的物料与水按质量比1：3进行混合配料，控制水的温度为65℃，得混合后料液；
四、蒸煮液化：将混合后料液进行蒸煮，温度保持在105℃，并添加液化酶6u/g淀粉质原料，液化时间为100分钟，得蒸煮液化后料液；
五、糖化：蒸煮液化完毕后，将上述蒸煮液化后料液冷却至60℃，用质量浓度98%浓硫酸将蒸煮液化后料液调pH4.2，将蒸煮液化后料液按150u/g木薯原料加入糖化酶，同时按占木薯0.16%的质量百分比加入尿素，糖化时间为40分钟，得糖化完的醪液；
六、种母培养：将糖化完的醪液冷却至35℃，输送至种母罐中，以按木薯干物质质量的0.1%的质量百分比接入活性干酵母，培养温度30℃，培养时间14小时后种母成熟，种母成熟指标：细胞数1.5×108/ml，出芽率25%，死亡率0.85%；
七、发酵：待种母成熟后，按种母醪液占发酵培养基的20%体积分数将种母醪液接种在发酵培养基上，接至发酵罐中发酵84小时，发酵温度为32℃，当酒度为12.8%、残糖质量浓度为0.8%时，将发酵后的发酵醪液输送至蒸馏单元；
八、蒸馏、精馏步骤：
发酵醪液经发酵醪泵自醪池输送到醪液预热器与精馏塔顶汽体换热后，进入粗馏塔进行蒸馏，粗馏塔釜压控制在0.05Mpa，粗馏塔底温控制112℃，粗馏塔顶温控制100℃；
粗馏塔塔顶导出的粗酒精导入精馏塔，在精馏塔除去非挥发性物质和轻重组分，塔顶气相物料经过冷凝器冷凝后进入精馏塔回流罐回流，精馏塔釜压控制在0.04Mpa，精馏塔底温控制在108℃，精馏塔顶温控制在80℃，精馏塔中温控制在84℃。精馏后得到乙醇—水共沸组成。
九、脱水步骤
将精馏塔的乙醇蒸汽通过再沸器加热后进入分子筛塔脱水，加热至160℃，并在0.4Mpa吸附压力下通过0.1mm的3A分子筛进行8分钟吸附，吸附后的气体经冷凝即可得燃料乙醇。
实施例4
一种提高木薯发酵生产燃料乙醇得率的工艺，包括以下步骤：
一、原料粉碎：将木薯原料粉碎后过直径为1.8mm的筛网，得过筛后的物料。
二、汽爆：将粉碎过筛后的物料进行汽爆处理，汽爆条件为：压力3MPa，时间20min。
三、拌料：将汽爆后的物料与水按质量比1：2.7进行混合配料，控制水的温度为65℃，得混合后料液；
四、蒸煮液化：将混合后料液进行蒸煮，温度保持在100℃，并添加液化酶6u/g淀粉质原料，液化时间为95分钟，得蒸煮液化后料液；
五、糖化：蒸煮液化完毕后，将上述蒸煮液化后料液冷却至62℃，用质量浓度98%浓硫酸将蒸煮液化后料液调pH4.5，将蒸煮液化后料液按150u/g木薯原料加入糖化酶，同时按占木薯0.18%的质量百分比加入尿素，糖化时间为40分钟，得糖化完的醪液；
六、种母培养：将糖化完的醪液冷却至35℃，输送至种母罐中，以按木薯干物质质量的0.1%的质量百分比接入活性干酵母，培养温度30℃，培养时间14小时后种母成熟，种母成熟指标：细胞数1.5×108/ml，出芽率30%，死亡率0.8%；
七、发酵：待种母成熟后，按种母醪液占发酵培养基的20%体积分数将种母醪液接种在发酵培养基上，接至发酵罐中发酵96小时，发酵温度为32℃，当酒度体积分数为12.8%、残糖质量浓度为0.75%时，将发酵后的发酵醪液输送至蒸馏单元；
八、蒸馏、精馏步骤：
发酵醪液经发酵醪泵自醪池输送到醪液预热器与精馏塔顶汽体换热后，进入粗馏塔进行蒸馏，粗馏塔釜压控制在0.06Mpa，粗馏塔底温控制114℃，粗馏塔顶温控制104℃；
粗馏塔塔顶导出的粗酒精导入精馏塔，在精馏塔除去非挥发性物质和轻重组分，塔顶气相物料经过冷凝器冷凝后进入精馏塔回流罐回流，精馏塔釜压控制在0.04Mpa，精馏塔底温控制在108℃，精馏塔顶温控制在80℃，精馏塔中温控制在84℃。精馏后得到乙醇—水共沸组成。
九、脱水步骤
将精馏塔的乙醇蒸汽通过再沸器加热后进入分子筛塔脱水，加热至170℃，并在2Mpa吸附压力下通过0.1mm的3A分子筛进行10分钟吸附，吸附后的气体经冷凝即可得燃料乙醇。

Claims (1)

1.一种提高木薯发酵生产燃料乙醇得率的工艺，其特征是包括以下步骤：
一、木薯干片原料的粉碎：木薯干片原料粉碎后过直径为1.2～1.8mm的筛网，得过筛后的物料；
二、汽爆：将粉碎过筛的物料进行汽爆处理，汽爆条件：压力0.5～3MPa，时间5～20min；
三、拌料：将汽爆后的物料与水按质量比1∶(2.5～3)混合配料，配料时的温度在55～70℃，得混合后料液；
四、蒸煮液化：将混合后料液进行蒸煮，温度保持在90～105℃，并添加液化酶6u/g淀粉质原料，液化时间为80～100分钟，得蒸煮液化后料液；
五、糖化：蒸煮液化完毕后，将上述蒸煮液化后料液冷却至58～62℃，用质量浓度98％浓硫酸将蒸煮液化后料液调至pH4～4.5；将蒸煮液化后料液按100～150u/g淀粉质原料加入糖化酶，同时按占淀粉质原料0.1～0.18％的质量百分比加入尿素，糖化时间为30～40分钟，得糖化完的醪液；
六、种母培养：将糖化完的醪液冷却至28～35℃，输送至种母罐中，以按淀粉质原料干物质质量的0.1％的质量百分比接入活性干酵母，培养温度为28℃～30℃，培养8～14小时后种母成熟，种母成熟指标为细胞数1.0～1.5×108/ml，出芽率15％～30％，死亡率0.1%~1％；
七、发酵：待种母成熟后，按种母醪液占发酵培养基的10％～20％体积分数将种母醪液接种在发酵培养基上，接至发酵罐中发酵60～96小时，发酵温度为28～32℃，当酒度为11.5％~13%、残糖质量浓度0.1%~0.9％时，将发酵后的发酵醪液输送至蒸馏单元；
八、蒸馏、精馏：发酵醪液经发酵醪泵自醪池输送到醪液预热器与精馏塔顶汽体换热后，进入粗馏塔进行蒸馏，粗馏塔釜压控制范围0.04～0.06Mpa，粗馏塔底温控制范围109～114℃，粗馏塔顶温控制范围95～104℃；
粗馏塔塔顶导出的粗酒精导入精馏塔，在精馏塔除去非挥发性物质和轻重组分，塔顶气相物料经过冷凝器冷凝后进入精馏塔回流罐回流，精馏塔釜压控制范围0.02～0.04Mpa，精馏塔底温度控制范围105～109℃，精馏塔顶温度控制范围77～80℃，精馏塔中间温度控制范围82～84℃;精馏后得到乙醇—水共沸组成；
九、脱水:乙醇分子筛吸附：将精馏塔的乙醇蒸汽通过再沸器加热后进入分子筛塔脱水，加热至140～170℃，并在0.3～0.4Mpa吸附压力下通过0.05～0.1mm的3A分子筛进行3～10分钟的吸附，吸附后的气体经冷凝得到燃料乙醇。
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