CN108048507B - 一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，包括如下步骤：将农作物秸秆粉碎后与水按比例加入预处理反应器中进行预处理；将物料导入酶解罐中，冷却降温，调节pH，然后添加酶制剂进行酶解；将物料导入发酵罐中，加入酵母进行发酵生产乙醇；将物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；将废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液；沼气进行燃烧产蒸汽或作为生产原料、以及外供给城市燃气管网；消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排放、固渣进行燃烧产蒸汽；将蒸汽回用到本方法中的步骤中。本发明整体上工艺先进，乙醇产量高，原料利用充分，成本低，适合产业化生产。

Description

一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法
技术领域
本发明属于利用纤维素秸秆微生物发酵生产燃料乙醇技术领域，具体的是涉及一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法。
背景技术
当前石化燃料资源不断枯竭，温室气体排放等严重影响了生活环境，雾霾等环境污染现象日趋严重，因此开发利用清洁可再生资源受到广泛关注。乙醇、丁醇等生物质能源被认为是传统化石燃料的最佳替代品。目前乙醇等生物质能源的生产主要以粮食为原料，但存在生产成本高、原料供应有限等问题。
纤维素秸秆在我国是一种木质纤维废弃物，年产量大，目前采用较多的处理方式为将其直接燃烧或弃置于农田，既浪费资源又污染环境，缺乏对其有效的利用。利用纤维素秸秆为原料替代粮食来生产生物质能源，不仅能够实现资源的有效利用，还可以解决环境问题，具有巨大的产业化潜力。
目前现有技术中，利用纤维素秸秆制乙醇主要采用蒸汽爆破法、添加酸碱化学法等工艺对农作物秸秆进行预处理。但是蒸汽爆破法能源消耗大，生产成本高，蒸汽热能无法回收，造成能源浪费；直接添加酸碱化学预处理的方法，需添加的化学试剂量大，成本较高，对设备的要求高，污水处理难度大；其他方式的预处理方法一般也不能够充分利用秸秆中的纤维素，造成资源浪费，生产成本居高不下。
另外，现有技术中在秸秆原料预处理或者酶解后，需要进行固液分离，固液分离后再进行发酵产乙醇。上述工艺存在以下缺陷：一、工艺繁琐，相应的操作复杂，耗费时间，相应的会增加一定的生产成本；二、不能充分地将纤维原料分解为糖类，导致秸秆转化率低，秸秆的利用价值低。
发明内容
本发明的目的是针对目前农作物秸秆生产乙醇中秸秆原料预处理困难，秸秆利用率低，能源消耗大，生产成本高，资源综合利用不足，生产工艺不成熟难于产业化等问题，提供了一种切实可行的利用农作物秸秆生产乙醇的产业化方法，并做到资源的最大化综合利用。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:3-19的比例加入预处理反应器中，控制温度为150-230℃和压力为0.48-2.8MPa进行反应，使水呈弱酸性，反应时间为5-60分钟，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换，冷却降温，并且同时回收热能，调节pH，然后添加酶制剂进行酶解，酶制剂为纤维素酶、纤维二糖酶、木聚糖酶、果胶酶或漆酶中的多种，酶解的温度为45-55℃，酶解时间24-72h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料不需要过滤，直接导入发酵罐中，加入酵母进行发酵生产乙醇，同时酶制剂继续发挥酶解作用，实现同步糖化发酵，酵母为毕赤酵母、休哈塔假丝酵母、普通酿酒酵母或基因工程酿酒酵母的一种；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；
(5)废渣液的厌氧处理：将步骤(4)得到的废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液；
(6)沼气和消化渣液的再处理：沼气进行燃烧产蒸汽或作为生产原料、以及外供给城市燃气管网；消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排放、固渣进行燃烧产蒸汽；
(7)蒸汽的循环利用：将步骤(6)得到的蒸汽回用到本方法中的各个步骤中，多余蒸汽外供。
更进一步的，步骤(2)中用氢氧化钠、氢氧化钙或生石灰来调节pH到4.0-5.5。
更进一步的，步骤(3)中发酵温度为25-42℃、发酵时间为36-120h。
更进一步的，步骤(3)中发酵液固形物浓度5-25％，酵母接种量为0.1-10％，发酵后酒精浓度2-8％。
更进一步的，步骤(5)中废渣液接种高温活性污泥的接种量为5-30％，厌氧发酵温度为50-65℃，发酵液固形物浓度3-15％。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明在预处理过程中，水在高温高压下，其介电常数急剧升高，从而使水呈弱酸性，在这样的体系中，能够有效水解半纤维素，破坏木质素致密的结构，活化纤维素，有利于后续的酶解反应。通过对本发明预处理后混合物料作进一步测定，测定纤维素的含量较处理前增加9.75％，半纤维素、木质素的含量较处理前分别降低22.11％、1.58％。最终预处理后的原料固体回收率约80％，通过对预处理后物料进行酶解实验，酶解率较未预处理提高约60％，酶解的充分，更有利于后续的发酵，从而提高了乙醇的产率。
本发明预处理步骤采用高温高压预处理工艺，通过热量耦合，可以将热量充分利用起来，有效地降低了能耗和生产成本。不同于常规的蒸汽爆破处理方式，爆破时损失的热量不能重复利用。
本发明预处理步骤中未添加任何酸、碱物质，因为没有添加酸、碱等化学物质，预处理后的物料毒性较低，无需再经脱毒处理，更有利于后续的产酒发酵。
本发明中对农作物秸秆的预处理步骤简单，可操作性更强，还能降低生产成本。
2、本发明中酶解步骤中的冷却降温是通过与下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换来实现的，在对酶解物料进行降温的同时，还能对未预处理的秸秆与水的混合物料进行升温，回收热能，降低了能耗，防止热能的损失。
3、本发明中酶解步骤后不进行固液分离，料液直接用来发酵，可以充分地将纤维原料分解为糖类，提高了乙醇的产率和秸秆转化率，最大化的实现秸秆的利用价值。同时，工艺简单，节省时间，也会降低一定的生产成本。
4、本发明中废渣液的厌氧处理步骤中采用高浓度厌氧发酵，不需要先经过固液分离，可以利用更多的有机质来产沼气，并且采用高温发酵工艺，有机物降解效率高，降解彻底。同时，本步骤中采用水力循环的方式达到全混，避免了机械搅拌耗能且装置复杂等弊端。
5、本发明中将废渣液厌氧处理得到的沼气和消化渣液进行再处理，所得沼气可作为生产原料或者进行燃烧产蒸汽；消化渣液进行压榨处理后，得到的清液经过处理达标后可直接排放，得到的固渣进行燃烧产蒸汽。得到的蒸汽回用到本方法中的预处理步骤、发酵步骤、蒸馏步骤和废渣液的厌氧处理步骤中，实现了最大化的综合利用农作物秸秆，生产过程产生的沼气、消化渣液全部被循环利用，而且产生的蒸汽除了能够满足本方法生产本身外，还有多余的蒸汽外供。本发明不需要外供蒸汽，节约了能耗和生产成本。
生产得到的沼气也可以进一步用来制氢，并将氢气用作化工合成乙醇的原料，得到高附加值的产物、以及外供给城市燃气管网，提供清洁能源。
6、本发明利用农作物秸秆产业化制备乙醇的方法，整体上的工艺方法简单、易操作，能够实现产业化大规模的生产。本发明还实现了秸秆资源的综合利用，同时还能达到清洁生产的要求。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1：本发明利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法流程图，下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:3的比例加入预处理反应器中，控制温度为194℃、压力为1.38MPa进行反应52分钟，使水呈弱酸性，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过与下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换来进行冷却降温，且同时回收热能，用氢氧化钠来调节pH到4.4，然后添加纤维素酶进行酶解，酶解温度50℃，酶解时间48h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料导入发酵罐中，控制发酵温度为38℃，加入普通酿酒酵母，发酵120h生产乙醇，其中，发酵液固形物浓度25％，酵母接种量为10％，发酵后酒精浓度8％；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；
(5)废渣液的厌氧处理：将步骤(4)得到的废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液，其中，废渣液接种高温活性污泥的接种量为13％，厌氧发酵温度为60℃，发酵液固形物浓度15％；
(6)沼气和消化渣液的再处理：沼气进行燃烧产蒸汽或作为生产原料、以及外供给城市燃气管网；消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排放、固渣进行燃烧产蒸汽；
(7)蒸汽的循环利用：将步骤(6)得到的蒸汽回用到本方法中的步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中。
实施例2
一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:5的比例加入预处理反应器中，控制温度为150℃、压力为0.48MPa进行反应60分钟，使水呈弱酸性，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过与下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换来进行冷却降温，且同时回收热能，用氢氧化钙来调节pH到4.7，然后添加纤维素酶、纤维二糖酶和木聚糖酶进行酶解，酶解温度50℃，酶解时间72h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料导入发酵罐中，控制发酵温度为34℃，加入基因工程酿酒酵母，发酵96h生产乙醇，其中，发酵液固形物浓度16.6％，酵母接种量为5％；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；
(5)废渣液的厌氧处理：将步骤(4)得到的废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液，其中，废渣液接种高温活性污泥的接种量为10％，厌氧发酵温度为60℃，发酵液固形物浓度10％，发酵后酒精浓度3.5％；
(6)沼气和消化渣液的再处理：沼气进行燃烧产蒸汽或作为生产原料、以及外供给城市燃气管网；消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排放、固渣进行燃烧产蒸汽；
(7)蒸汽的循环利用：将步骤(6)得到的蒸汽回用到本方法中的步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中。
实施例3
一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:6的比例加入预处理反应器中，控制温度为208℃、压力为1.85MPa进行反应27分钟，使水呈弱酸性，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过与下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换来进行冷却降温，且同时回收热能，用氢氧化钠来调节pH到4，然后添加纤维素酶、纤维二糖酶、漆酶进行酶解，酶解温度48℃，酶解时间48h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料导入发酵罐中，控制发酵温度为42℃，加入基因工程酿酒酵母，发酵86h生产乙醇，其中，发酵液固形物浓度20％，酵母接种量为2.0％，发酵后酒精浓度6.8％；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；
(5)废渣液的厌氧处理：将步骤(4)得到的废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液，其中，废渣液接种高温活性污泥的接种量为24％，厌氧发酵温度为59℃，发酵液固形物浓度12.1％；
(6)沼气和消化渣液的再处理：沼气进行燃烧产蒸汽或作为生产原料、以及外供给城市燃气管网；消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排放、固渣进行燃烧产蒸汽；
(7)蒸汽的循环利用：将步骤(6)得到的蒸汽回用到本方法中的步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中。
实施例4
一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:7的比例加入预处理反应器中，控制温度为230℃、压力为2.8MPa进行反应12分钟，使水呈弱酸性，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过与下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换来进行冷却降温，且同时回收热能，用生石灰来调节pH到5.5，然后添加纤维素酶、果胶酶和漆酶进行酶解，酶解温度55℃，酶解时间72h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料导入发酵罐中，控制发酵温度为32℃，加入普通酿酒酵母，发酵72h生产乙醇，其中，发酵液固形物浓度16％，酵母接种量为0.3％，发酵后酒精浓度5.5％；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；
(5)废渣液的厌氧处理：将步骤(4)得到的废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液，其中，废渣液接种高温活性污泥的接种量为7％，厌氧发酵温度为58℃，发酵液固形物浓度11％；
(6)沼气和消化渣液的再处理：沼气进行燃烧产蒸汽或作为生产原料、以及外供给城市燃气管网；消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排放、固渣进行燃烧产蒸汽；
(7)蒸汽的循环利用：将步骤(6)得到的蒸汽回用到本方法中的步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中。
实施例5
一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:8的比例加入预处理反应器中，控制温度为226℃、压力为2.6MPa进行反应8分钟，使水呈弱酸性，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过与下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换来进行冷却降温，且同时回收热能，用氢氧化钠来调节pH到4.5，然后添加纤维素酶、纤维二糖酶进行酶解，酶解温度55℃，酶解时间48h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料导入发酵罐中，控制发酵温度为32℃，加入普通酿酒酵母，发酵75h生产乙醇，其中，发酵液固形物浓度15％，酵母接种量为5.5％，发酵后酒精浓度5.2％；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；
(5)废渣液的厌氧处理：将步骤(4)得到的废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液，其中，废渣液接种高温活性污泥的接种量为5％，厌氧发酵温度为56℃，发酵液固形物浓度8.9％；
(6)沼气和消化渣液的再处理：沼气进行燃烧产蒸汽或作为生产原料、以及外供给城市燃气管网；消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排放、固渣进行燃烧产蒸汽；
(7)蒸汽的循环利用：将步骤(6)得到的蒸汽回用到本方法中的步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中。
实施例6
一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:9的比例加入预处理反应器中，控制温度为160℃、压力为0.62MPa进行反应40分钟，使水呈弱酸性，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过与下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换来进行冷却降温，且同时回收热能，用氢氧化钙来调节pH到4.8，然后添加纤维素酶、纤维二糖酶和果胶酶进行酶解，酶解温度52℃，酶解时间36h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料导入发酵罐中，控制发酵温度为38℃，加入毕赤酵母，发酵48h生产乙醇，其中，发酵液固形物浓度12％，酵母接种量为7.9％，发酵后酒精浓度3.9％；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；
(5)废渣液的厌氧处理：将步骤(4)得到的废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液，其中，废渣液接种高温活性污泥的接种量为18％，厌氧发酵温度为55℃，发酵液固形物浓度7.3％；
(6)沼气和消化渣液的再处理：沼气进行燃烧产蒸汽或作为生产原料、以及外供给城市燃气管网；消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排放、固渣进行燃烧产蒸汽；
(7)蒸汽的循环利用：将步骤(6)得到的蒸汽回用到本方法中的步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中。
实施例7
一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:15的比例加入预处理反应器中，控制温度为155℃、压力为0.55MPa进行反应25分钟，使水呈弱酸性，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过与下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换来进行冷却降温，且同时回收热能，用氢氧化钙来调节pH到4.6，然后添加纤维素酶、纤维二糖酶进行酶解，酶解温度50℃，酶解时间60h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料导入发酵罐中，控制发酵温度为30℃，加入毕赤酵母，发酵48h生产乙醇，其中，发酵液固形物浓度6.5％，酵母接种量为9.2％，发酵后酒精浓度2.5％；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；
(5)废渣液的厌氧处理：将步骤(4)得到的废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液，其中，废渣液接种高温活性污泥的接种量为27％，厌氧发酵温度为53℃，发酵液固形物浓度6.6％；
(6)沼气和消化渣液的再处理：沼气进行燃烧产蒸汽或作为生产原料、以及外供给城市燃气管网；消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排放、固渣进行燃烧产蒸汽；
(7)蒸汽的循环利用：将步骤(6)得到的蒸汽回用到本方法中的步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中。
实施例8
一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:19的比例加入预处理反应器中，控制温度为178℃、压力为0.96MPa进行反应5分钟，使水呈弱酸性，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过与下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换来进行冷却降温，且同时回收热能，用生石灰来调节pH到5.2，然后添加纤维素酶、果胶酶和漆酶进行酶解，酶解温度45℃，酶解时间24h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料导入发酵罐中，控制发酵温度为25℃，加入基因工程酿酒酵母，发酵36h生产乙醇，其中，发酵液固形物浓度5％，酵母接种量为0.1％，发酵后酒精浓度2.0％；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；
(5)废渣液的厌氧处理：将步骤(4)得到的废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液，其中，废渣液接种高温活性污泥的接种量为30％，厌氧发酵温度为50℃，发酵液固形物浓度3％；
(6)沼气和消化渣液的再处理：沼气进行燃烧产蒸汽或作为生产原料、以及外供给城市燃气管网；消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排放、固渣进行燃烧产蒸汽；
(7)蒸汽的循环利用：将步骤(6)得到的蒸汽回用到本方法中的步骤(1)、步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中。
对比例1
一种利用农作物秸秆生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:2的比例经输送机送至气爆罐内，通入蒸汽升温至190℃、压力13.5MPa，保温15min气爆放料，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，加水稀释，用氢氧化钙来调节pH到4.7，然后添加纤维素酶、纤维二糖酶和木聚糖酶进行酶解，酶解温度50℃，酶解时间72h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料导入发酵罐中，控制发酵温度为34℃，加入基因工程酿酒酵母，发酵96h生产乙醇，其中，发酵液固形物浓度16.6％，酵母接种量为5％；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液。
对比例2
一种利用农作物秸秆生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:5的比例加入预处理反应器中，控制温度为150℃、压力为0.48MPa进行反应60分钟，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过与下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换来进行冷却降温，且同时回收热能，用氢氧化钙来调节pH到4.7，然后添加纤维素酶、纤维二糖酶和木聚糖酶进行酶解，酶解温度50℃，酶解时间72h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料进行固液分离，将固渣导入发酵罐中，控制发酵温度为34℃，加入基因工程酿酒酵母，发酵96h生产乙醇，其中，发酵液固形物浓度16.6％，酵母接种量为5％；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液。
对比例3
一种利用农作物秸秆生产乙醇的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:5的比例加入预处理反应器中，控制温度为150℃、压力为0.48MPa进行反应60分钟，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过与下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换来进行冷却降温，且同时回收热能，用氢氧化钙来调节pH到4.7，然后添加纤维素酶、纤维二糖酶和木聚糖酶进行酶解，酶解温度50℃，酶解时间72h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料导入发酵罐中，控制发酵温度为34℃，加入基因工程酿酒酵母，发酵96h生产乙醇，其中，发酵液固形物浓度16.6％，酵母接种量为5％；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；
(5)废渣液的厌氧处理：将步骤(4)得到的废渣液进行固液分离，得到固渣和清液，将得到的清液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和达标废水，其中，废液接种高温活性污泥的接种量为10％，厌氧发酵温度为60℃，发酵液固形物浓度6％。得到的固渣和沼气用于燃烧产蒸汽。
对比分析：
本实施例1-8及对比例1-3均采用6吨农作物秸秆作为原料进行乙醇生产，将通过实施例1-8及对比例1-2制备得到的乙醇产量结果详见表1；对实施例1-8及对比例1中预处理前、后的纤维素、半纤维素和木质素进行含量测试，得到的测试结果详见表2；将通过实施例1-8及对比例3制备得到的沼气进行产气率测试，得到的测试结果详见表3。其中，沼气产气率通过每克秸秆产完乙醇后还能产生多少毫升的沼气进行表征。
表1
Figure GDA0002579891190000151
表2
Figure GDA0002579891190000152
Figure GDA0002579891190000161
表3
Figure GDA0002579891190000162
对比例1和实施例2的区别在于，原料秸秆预处理的方式不同——对比例1中采用蒸汽爆破的方法对秸秆进行预处理。通过表1、2数据可知，实施例2中的酶解率、乙醇产量要高于对比例1，说明本发明中使用的方法对秸秆进行预处理，能够有效水解半纤维素，破坏木质素致密的结构，活化纤维素，提高酶解率后，有利于后续的发酵产乙醇，进而可以有效的提高乙醇的产量，提高了秸秆的利用率。
对比例2和实施例2的区别在于，酶解步骤后是否进行固液分离——对比例2中酶解后的物料进行了固液分离，对固渣进行发酵产乙醇，而实施例2中直接对酶解后的混合物料进行发酵产乙醇。通过表1数据可知，实施例2中的乙醇产量要高于对比例2，说明本发明中酶解步骤后不进行固液分离，料液直接用来发酵，可以充分地将纤维原料分解为糖类，增加了乙醇的产率，另外也避免了固渣中带走的已降解糖分，可以更多的用来产乙醇，提高了秸秆的乙醇转化率，最大化的实现秸秆的利用价值。同时，工艺简单，节省时间，也会降低一定的生产成本。
对比例3和实施例2的区别在于，废渣液的厌氧处理中是否进行固液分离——对比例3中将废渣液进行固液分离后，再对渣液进行常温厌氧发酵，而实施例6中直接对废渣液进行高温厌氧发酵。通过表3数据可知，实施例2中的沼气产气率要高于对比例3，说明本发明中废渣液的厌氧处理步骤中采用高浓度厌氧发酵，不需要先经过固液分离，可以利用更多的有机质来产沼气，并且采用高温发酵工艺，有机物降解效率高，降解彻底，沼气产气率高，厌氧发酵后再过滤因为粘度降低，也比较容易过滤、固渣更少。同时，本步骤中采用水力循环的方式达到全混，避免了机械搅拌耗能且装置复杂等弊端。
本发明方法简单，操作易行，能够最大化的实现秸秆的利用率与转化率，同时降低了生产成本，所以适合于进行大规模的产业化生产。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，其特征在于，包括如下步骤:
(1)预处理：将农作物秸秆粉碎后与水按1:3-19的比例加入预处理反应器中，控制温度为150-230℃和压力为0.48-2.8MPa进行反应，使水呈弱酸性，反应时间为5-60分钟，得到预处理的物料；
(2)酶解：将经过步骤(1)预处理后得到的物料导入酶解罐中，通过下一批未预处理的秸秆与水的混合物料进行热交换，冷却降温，并且同时回收热能，调节pH，然后添加酶制剂进行酶解，所述酶制剂为纤维素复合酶，包括纤维素酶、纤维二糖酶、果胶酶、木聚糖酶、漆酶中的多种，酶解的温度为45-55℃，酶解时间24-72h；
(3)发酵：将经过步骤(2)酶解后的物料不需要过滤，直接导入发酵罐中，加入酵母进行发酵生产乙醇，同时酶制剂继续发挥酶解作用，实现同步糖化发酵，所述酵母为毕赤酵母、休哈塔假丝酵母、普通酿酒酵母或基因工程酿酒酵母的一种；
(4)蒸馏：将经过步骤(3)发酵后的物料导入蒸馏设备中进行蒸馏，得到乙醇和废渣液；
(5)废渣液的厌氧处理：将步骤(4)得到的废渣液接种高温活性污泥进行厌氧发酵，得到沼气和消化渣液；
(6)沼气和消化渣液的再处理：所述沼气进行燃烧产蒸汽或作为生产原料、以及外供给城市燃气管网；所述消化渣液进行压榨处理，得到清液和固渣，清液经处理达标后排放、固渣进行燃烧产蒸汽；
(7)蒸汽的循环利用：将步骤(6)得到的蒸汽用到各个步骤中，多余蒸汽外供。
2.根据权利要求1所述的利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，其特征在于，所述步骤(2)中用氢氧化钠、氢氧化钙或生石灰来调节pH到4.0-5.5。
3.根据权利要求1所述的利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，其特征在于，所述步骤(3)中发酵温度为25-42℃、发酵时间为36-120h。
4.根据权利要求1所述的利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，其特征在于，所述步骤(3)中发酵液固形物浓度5-25％，酵母接种量为0.1-10％，发酵后酒精浓度2-8％。
5.根据权利要求1所述的利用农作物秸秆产业化生产乙醇的方法，其特征在于，所述步骤(5)中废渣液接种高温活性污泥的接种量为5-30％，厌氧发酵温度为50-65℃，发酵液固形物浓度3-15％。
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