CN111792976B - 用于低温应用的从发酵液中分离乙醇的集成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于从由不同发酵技术产生的发酵液中回收有机化合物(即乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、异丙醇)的方法。本发明特别涉及用于使用集成的蒸气压缩单元(涡轮风扇)、蒸发器(降膜)和发酵液汽提塔(真空蒸馏系统)从发酵液中分离乙醇的集成方法。所述方法通常在低于或为50℃的低温度下进行，以从含有活微生物的发酵液中分离和回收有机化合物(特别是乙醇)，以确保发酵液再循环中微生物的活性。另外，还通过将含微生物的发酵液在发酵罐外部的停留时间保持为小于或等于10分钟来进一步确保微生物的活性。

Description

用于低温应用的从发酵液中分离乙醇的集成方法
技术领域
本发明涉及用于低温度应用的从发酵液中分离乙醇的集成方法，其中所述发酵液由不同发酵技术产生。本发明特别涉及用于使用集成的蒸气压缩单元(涡轮风扇)、降膜蒸发器和发酵液汽提塔(真空蒸馏系统)从由气体发酵工艺产生的发酵液中分离乙醇的集成方法。本发明同样适用于从发酵液中分离其他有机化合物，即丙醇、丁醇、丙酮和异丙醇(IPA)。
背景技术
来自发酵罐的发酵液(broth)包含乙醇、水、微生物(活微生物)/生物质以及由副反应产生的痕量其他工艺化学品。必须从含有1-5重量％乙醇的发酵液中回收乙醇，并将剩余发酵液在发酵过程中再循环回发酵罐部分。由于发酵液中含有活微生物，因此通常必须在低于45℃下进行从发酵液的乙醇分离，以在返回发酵罐中使微生物保持存活和用于发酵过程的活性。此外，微生物的生存强烈依赖于进料气体。这要求发酵液(含有微生物)在发酵系统外的停留时间最短，以确保微生物保持存活和活性。因此，设计在低温度下并且具有最短发酵罐外停留时间的乙醇分离系统具有挑战。另外，为了与其他可用技术竞争，在满足在所需条件下进行乙醇分离的目标的同时，非常希望将工厂的CAPEX和OPEX保持在最小。
用于乙醇回收的常规1G/2G技术不是基于活微生物的再循环，因此可以使用低压蒸汽再沸器/直接注入在约90℃或更高的蒸馏塔温度下进行乙醇分离。将塔顶蒸气冷凝，并进一步送至下游乙醇回收和脱水部分，以获得高纯度乙醇。这种类型的常规方案不适用于使用生物催化剂(活微生物)进行发酵过程的工艺。如此高的温度将导致杀死微生物，以及降低上游发酵罐中气体/生物质发酵过程中微生物的生长/活性。此外，在诸如乙醇回收的膜分离方法的其他方法中，使用细胞再循环膜在低温度要求下从含有活微生物的发酵液中分离乙醇-水混合物，并使微生物再循环回发酵过程。然而，膜分离模块的维修和保养成本很高。另外，安装这种膜需要非常大的面积，尤其是对于较低的微生物生长速率，这取决于进料气体的成分。另外，关于操作条件、进料质量的变化以及发酵液中的颗粒物质的任何进入，膜的可靠性较差，导致膜的寿命周期降低，这反过来又需要在项目寿命期间频繁更换。
US 2007/0031954描述了包括多个膜的集成方法，其包括第一膜分离，随后的分凝步骤和用于乙醇脱水的另一膜分离。该方法的问题是在膜分离过程之前需要从发酵液中去除固体。固体去除步骤产生了额外的资本投资和运营成本，这增加了总的乙醇生产成本。
US 13/809269利用与热集成一起实现的低温度发酵液分离原理进行乙醇分离，其仅适合于通过糖化发酵产生的乙醇发酵液，其中目的是分离乙醇以及还防止酶变性。然而，所述技术具有由真空蒸馏、压缩机和简单的热交换器组成的热集成系统。从塔底抽出富含酶的物流。因此，由所述专利申请描述的方法不能确保在工厂运行期间在各种运行条件/运行干扰下对微生物的全面保护。
US8535413B2公开了使用集成的机械蒸气再压缩(Mechanical VapourRecompression，MVR)和膜蒸气渗透系统进行乙醇回收的发酵方法，其中发酵在超过75-100℃的温度下进行。此外，该方法公开了从乙醇浓度高于5重量％的发酵液进料中回收乙醇。另外，该方法在称为发酵汽提塔的设备中使用蒸汽和二氧化碳作为汽提介质。
US2013/0175158A1公开了适于酶的再循环利用的用于生产乙醇的方法和用于生产乙醇的装置。该专利申请提供了用于生产乙醇的方法，其中所述方法包括从通过生物质原料的糖化发酵产生的乙醇发酵液中纯化乙醇，而所述用于生产乙醇的装置，除了被配置用于精馏从真空蒸馏塔蒸馏的乙醇蒸气的精馏塔以外，还包括用于蒸馏包含水蒸气的乙醇蒸气并且将含有酶的浓缩废液作为塔底产物除去的真空蒸馏塔
由于用于乙醇生产的这些类型的技术的上述局限性，无法根据第一代(1G)或第二代(2G)技术中可用的常规方法以及乙醇工厂的膜分离方法来有效地进行从发酵液的乙醇分离。因此，非常希望找到可用于从这中类型的发酵液分离乙醇并且也是节能的替代技术/工艺/方法。已经或正在探索多种方法以寻找在非常低的温度下对乙醇分离要求问题的解决方案，目的是保护活微生物以及使用于从发酵液中回收乙醇的能耗和CAPEX最小化。此外，在这样的技术中，必须基于温度和停留时间的限制来保护气体发酵罐外部的发酵液溶液中的微生物。这要求从发酵液中分离乙醇后，将微生物再循环回去，使温度和停留时间保持在设计极限之内。尽管第一代(1G)或第二代(2G)技术和膜分离方法的从发酵液分离乙醇的方法是周知的，但是对现有技术的研究并未揭示任何确保从含有活微生物的发酵液有效分离乙醇(及其他低级醇和低级酮)以使得在乙醇分离之后微生物保留在再循环发酵液中的集成工艺或方法。
发明内容
因此，本发明提供了用于从发酵液中分离有机化合物(即乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、异丙醇)，特别是乙醇的“集成方法”，其中该方法在较低的系统温度和停留时间下进行，确保在低温度下乙醇回收最大化，并保持再循环发酵液中微生物的活性，以用于气体发酵部分中的进一步发酵。本发明基于使用包括发酵液汽提塔(真空蒸馏系统)、降膜蒸发器和蒸气压缩单元(涡轮风扇)的集成系统克服了现有技术的缺点，并确保在低温度下的乙醇回收最大化，同时确保了气体发酵部分中发酵所需的微生物的活性。
发明提供了用于从发酵液中分离有机化合物的集成方法，所述方法包括：
(a)将脱气并预热的发酵液供给至发酵液汽提塔以产生蒸气；
(b)在涡轮风扇中压缩从所述发酵液汽提塔的顶部获得的蒸气，以获得压力为160至200mmHg的压缩蒸气；
(c)将软化水从所述发酵液汽提塔的底部送至降膜蒸发器以获得汽提蒸汽，其中将所述汽提蒸汽送至所述发酵液汽提塔；
(d)将步骤(b)中获得的所述压缩蒸气送至所述降膜蒸发器，以从所述压缩蒸气向所述软化水进行热传递以产生所述汽提蒸汽，其中所述压缩蒸气冷凝以获得冷凝液和剩余蒸气的混合物；
(e)将骤(d)中获得的所述冷凝液和剩余蒸气的混合物送至发酵液汽提冷凝器，以将所述剩余蒸气冷凝成冷凝液；以及
(f)将步骤(d)和步骤(e)中获得的所述冷凝液收集在整流筒式进料机中用于进行蒸馏，以获得15-25重量％的所述有机化合物；
其中所述发酵液汽提塔在15℃至50℃的温度下操作，停留时间为1-10分钟；
其中所述有机化合物选自乙醇、丙醇、丁醇、丙酮和异丙醇。
本发明步骤(a)至(f)中描述的方法同样适用于从发酵液中分离丙醇、丁醇、丙酮、异丙醇(IPA)
此外，本发明提供了用于从发酵液中分离有机化合物的集成系统，其中所述有机化合物选自乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、异丙醇，所述系统包括：
发酵液汽提塔(C-1)，其设置有填充有填充材料传质床的填充床部分，位于所述填充床部分下方的用于除去发酵液再循环的烟囱塔板，以及位于底部的用于将软化水提供给降膜蒸发器以产生汽提蒸汽的塔板部分；
涡轮风扇(K-1)，用于压缩从所述发酵液汽提塔(C-1)的顶部获得的蒸气；
降膜蒸发器(E-1)，用于从压缩蒸气向从所述发酵液汽提塔(C-1)的底部获得的软化水进行热传递，并获得冷凝液和剩余蒸气的混合物；
冷凝器(E-3)，用于冷凝从所述降膜蒸发器获得的剩余蒸气，以获得冷凝液。
整流筒式进料机(V-2)，用于收集从所述冷凝器(E-3)获得的冷凝液；
辅助再沸器(E-2)，用于在启动操作期间用低压蒸汽加热来自所述发酵液汽提塔的塔底产物；以及
启动冷凝器(E-5)，用于在启动操作期间冷凝所述压缩蒸气。
发明目的
本发明的主要目的是从含有活微生物的发酵液中有效地回收有机化合物(即乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、异丙醇)，特别是乙醇，同时保护微生物免受温度变化和停留时间的限制。
另一个目的是提供在通常低于或为50℃，优选低于45℃的温度下，从含有活微生物的发酵液中低温度分离和回收乙醇。
本发明的另一个目的是通过将含微生物的发酵液在发酵罐外的停留时间保持在少于10分钟来确保微生物的活性。
本发明的又一个目的是提供利用含有低至1重量％的乙醇的发酵液有效地进行的集成方法。
本发明的另一个目的是提供包括涡轮风扇、蒸发器和发酵液汽提塔的乙醇分离集成方法，用于能量优化和降低工厂的OPEX(运营成本)。
附图简述
图1是根据本发明的用于从发酵液进行乙醇回收的配置-1的示意图。
图2是根据本发明的用于从发酵液进行乙醇回收的配置-2的示意图(用于在炎热国家中操作)。
图3是根据本发明的用于从发酵液进行乙醇回收的配置-3的示意图(用于在炎热国家中操作)。
图4是基于典型的1G/2G乙醇工厂的发酵液分离方法的示意图
图5示出了从发酵液中回收乙醇的膜分离方法的示意图。
具体实施方式
本发明涉及从用于从由不同发酵技术产生的发酵液中回收乙醇的集成方法。本发明特别涉及用于使用发酵液汽提塔(真空蒸馏系统)、涡轮风扇和降膜蒸发器的集成系统从由气体发酵工艺产生的发酵液中分离乙醇的集成方法。
本发明同样适用于从发酵液溶液中分离丙醇、丁醇、丙酮、异丙醇(IPA)。此外，本发明可全球用于在针对从废物源例如市政废物(MSW)、工业废气、炼厂废气、生物质和焦炭气化、钢铁厂废气等生产乙醇、丙酮、异丙醇(IPA)的多种发酵技术中分离乙醇、丙酮、异丙醇(IPA)、丙醇、丁醇(在低温度下)。更具体地，与其他可用的常规蒸馏方案和膜分离方法相比，本发明在发酵过程外的操作温度和停留时间限制下保护微生物，提供了能量节省。除了气体发酵技术外，该方法还适用于温度和停留时间受限制的发酵技术。该系统可用于含有低至1重量％浓度的有机化合物(即乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、异丙醇)，尤其是乙醇的发酵液。
根据本发明，从具有活微生物的气体发酵设备获得含乙醇的发酵液流(称为发酵液溶液或发酵液)。由此获得的发酵液根据进料气体的质量含有约1-5重量％的乙醇，而其余部分主要是水和其他杂质以及活微生物。根据本发明，在低温度下(即通常低于或为50℃以保护活微生物)从发酵液中回收乙醇，并且由此回收的乙醇在下游蒸馏和脱水部分中进一步纯化以达到燃料级高纯度乙醇。根据本发明，使用集成的蒸气压缩单元(涡轮风扇)、蒸发器/再沸器和汽提塔(真空蒸馏系统)有效地实现了从发酵液中分离乙醇。乙醇的蒸馏是在真空条件下通过塔操作进行的，以实现低温度分离，从而确保再循环发酵液中微生物的活性。蒸气压缩单元(涡轮风扇)用于实现真空塔塔顶蒸气热的整合，以在降膜蒸发器再沸器中产生汽提蒸汽。这种组合不仅节省能源，还实现了从含活微生物的发酵液中低温度分离乙醇的目的。
根据主要特征，本发明提供了用于从发酵液中分离有机化合物的集成方法，所述方法包括：
(a)将脱气并预热的发酵液供给至发酵液汽提塔以产生蒸气；
(b)在涡轮风扇中压缩从所述发酵液汽提塔的顶部获得的蒸气，以获得压力为160至200mmHg的压缩蒸气；
(c)将软化水从所述发酵液汽提塔的底部送至降膜蒸发器以获得汽提蒸汽，其中将所述汽提蒸汽送至所述发酵液汽提塔；
(d)将步骤(b)中获得的所述压缩蒸气送至所述降膜蒸发器，以从所述压缩蒸气向所述软化水进行热传递以产生所述汽提蒸汽，其中所述压缩蒸气冷凝以获得冷凝液和剩余蒸气的混合物；
(e)将骤(d)中获得的所述冷凝液和剩余蒸气的混合物送至发酵液汽提冷凝器，以将所述剩余蒸气冷凝成冷凝液；以及
(f)将步骤(d)和步骤(e)中获得的所述冷凝液收集在整流筒式进料机中用于进行蒸馏，以获得15-25重量％的所述有机化合物；
其中所述发酵液汽提塔在≤50℃的温度下操作，停留时间≤10分钟；
其中所述有机化合物选自乙醇、丙醇、丁醇、丙酮和异丙醇。
在一个优选实施方案中，停留时间为1分钟至10分钟，更优选为5分钟至10分钟，发酵液汽提塔中的温度为15℃至50℃，更优选为30℃至45℃。
在一个实施方案中，发酵液还包含活的微生物，其中发酵液以不同的发酵技术，特别是气体发酵来生产。此外，发酵液包含酶。因此，乙醇分离方法在低温下以短停留时间操作以确保微生物在过程中保持活性并进一步循环到发酵单元中。
在一个优选的特征中，本发明提供了用于从发酵液中分离乙醇的集成方法，所述方法包括：
(a)将脱气并预热的发酵液进料到发酵液汽提塔中以产生蒸气；
(b)在涡轮风扇中压缩从发酵液汽提塔的塔顶获得的蒸气以获得压力为160mmHg至200mmHg的压缩蒸气；
(c)将软化水从发酵液汽提塔的底部送至降膜蒸发器以获得汽提蒸汽，其中汽提蒸汽被送到发酵液汽提塔中；
(d)将步骤(b)中获得的压缩蒸气送至降膜蒸发器以将热从压缩蒸气传递至软化水以产生汽提蒸汽，其中将压缩蒸气冷凝以获得冷凝液和剩余蒸气的混合物；
(e)将步骤(d)中获得的冷凝液和剩余蒸气的混合物送至发酵液汽提冷凝器以将剩余蒸气冷凝成冷凝液；以及
(f)将步骤(d)和步骤(e)中获得的冷凝液收集在整流筒式进料机中以进行蒸馏以获得15重量％至25重量％的乙醇；
其中发酵液汽提塔在≤50℃的温度下操作≤10分钟的停留时间。
本发明的步骤(a)至(f)中描述的方法同样适用于从发酵液中分离丙醇、丁醇、丙酮和异丙醇(IPA)。
在一个实施方案中，本发明提供了进料到发酵液汽提塔中的发酵液包含1重量％至5重量％的有机化合物，特别是乙醇。
在另一个实施方案中，本发明提供了发酵液循环，其包含小于或等于0.15重量％的有机化合物优选乙醇，所述有机化合物从发酵液汽提塔的侧馏分获得并从发酵液汽提塔循环以用于发酵。发酵液循环优选包含0.05重量％至0.15重量％的乙醇，更优选地，发酵液循环包含0.08重量％至0.1重量％的乙醇。
在一个优选实施方案中，发酵液汽提塔设置有填充床部分，所述填充床部分填充有填充材料传质床以在真空条件下在45mm Hg至60mm Hg，优选56mm Hg的压力下在<45℃的温度下操作发酵液汽提塔。此外，发酵液汽提塔设置有在填充床部分下方的用于除去发酵液再循环的烟囱塔板，并且还设置有在底部处以向降膜蒸发器提供软化水以产生汽提蒸汽的另外的塔板部分。
在另一个实施方案中，本发明的分离方法提供了对于启动操作，将来自发酵液汽提塔的底部产物在辅助再沸器中用低压蒸汽(压力为约5巴)加热以产生汽提蒸汽以启动。
在又一个实施方案中，本发明还提供了在所述方法的启动操作期间，将(上述方法的)步骤(a)中获得的蒸气送至启动冷凝器以获得冷凝液，随后将冷凝液送至整流筒式进料机。
启动操作促进所述方法的开始以达到涡轮风扇的最小流量要求。一旦所述方法开始运行并且涡轮风扇开始操作，启动相关设备将关闭，并且所述方法将通过有效的热传递过程保留系统的能量来基于系统内产生的热以节能模式来操作。在炎热的国家，冷却水温度较高，使得塔顶蒸气的冷却减少。因此，为了在炎热的国家中操作，在一个优选实施方案中，启动冷凝器任选地使用冷冻水以在发酵液汽提塔中在42℃至43℃的温度下提供45mmHg的真空压力。因此，为了在炎热的国家中操作所述方法，本发明提供了三级涡轮风扇操作以分离有机化合物，特别是乙醇(图2)。
在用于在炎热国家中操作的方法的一个优选实施方案中，本发明提供了用于乙醇分离的两级涡轮风扇操作，其中发酵液汽提冷凝器任选地设置有连续的冷冻机操作以在发酵液汽提塔中在42℃至43℃的温度下提供45mmHg的真空压力，从而无需在分离方法中使用另外的启动冷凝器。
本发明还提供了用于从发酵液中分离有机化合物的集成系统，其中有机化合物选自乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、异丙醇，所述系统包括：
发酵液汽提塔(C-1)，所述发酵液汽提塔(C-1)设置有填充有填充材料传质床的填充床部分、在填充床部分下方的用于除去发酵液再循环的烟囱塔板和在底部处的用于向降膜蒸发器提供软化水以产生汽提蒸汽的塔板部分；
涡轮风扇(K-1)，所述涡轮风扇(K-1)用于压缩从发酵液汽提塔(C-1)的塔顶获得的蒸气；
降膜蒸发器(E-1)，所述降膜蒸发器(E-1)用于从压缩蒸气到从发酵液汽提塔(C-1)的底部获得的软化水进行热传递并获得冷凝液和剩余蒸气的混合物；
冷凝器(E-3)，所述冷凝器(E-3)用于冷凝从降膜蒸发器(E-1)获得的剩余蒸气以获得冷凝液；
整流筒式进料机(V-2)，所述整流筒式进料机(V-2)用于收集从冷凝器(E-3)获得的冷凝液；
辅助再沸器(E-2)，所述辅助再沸器(E-2)用于在启动操作期间用低压蒸汽加热来自发酵液汽提塔(C-1)的底部产物；和
启动冷凝器(E-5)，所述启动冷凝器(E-5)用于在启动操作期间冷凝压缩蒸气。
在一个优选的特征中，采用集成系统来分离乙醇。
在另一个实施方案中，所述系统包括用于从发酵液汽提塔(C-1)的侧馏分接收发酵液循环的发酵液循环泵(P-1)；其中发酵液循环包含小于或等于0.15重量％的有机化合物，优选乙醇。
在另一个实施方案中，所述系统包括在整流筒式进料机(V-2)的蒸气出口处的用于保持真空的启动真空泵(K-2)。
根据在炎热和寒冷国家中的冷却水供应温度，本发明基于三种不同的配置来操作。所有3种配置在寒冷国家中都是可行的，而配置2和3特别适用于炎热国家。以下描述了用于乙醇的示例性配置：
配置1(图1)：集成真空塔、具有涡轮风扇配置(三级涡轮风扇)的FFE
在这种配置(图1)中，从上游发酵罐接收的脱气之后的发酵液(流#1)在(进料/底部交换器)中预热，并进入在真空下操作的真空塔(C-1)。塔在塔顶蒸气与降膜蒸发器再沸器(E-1)进行热集成的情况下操作，以重新利用塔顶蒸气的热，并因此减少用于从发酵液中汽提乙醇所需的任何外部能量输入。
通过在约56mmHg顶部压力的真空条件下操作，保持塔中的低温，并使用填充床确保塔中的低Delta P。塔顶蒸气包含20重量％至22重量％的乙醇(流#2)，并用涡轮风扇(K-1)压缩以达到足以将热传递至降膜蒸发器(FFE)再沸器(E-1)的压力(即底部温度和FFE温度方法限定了涡轮风扇出口压力)。烟囱塔板安装在填充床下方以除去发酵液循环(流#3)，塔的底部部分包括塔板部分，其中过程水(流#5)进入并到达FFE以产生蒸气。FFE(E-1)管侧出口蒸气进入塔的底部塔板部分并用作用于乙醇分离的汽提介质。当FFE壳出口蒸气+冷凝液在微调冷凝器(trim condenser)(E-3)中进一步冷却并收集在用于在下游蒸馏部分(流#4)中处理的整流筒式进料机(V-2)中时，剩下的未冷凝蒸气进一步被送至真空洗涤器系统。通过操作安装在该单元的下游进料缓冲罐(V-2)的蒸气出口处的真空洗涤器和真空泵，保持整个系统中的真空。
对于涡轮风扇(K-1)的启动，辅助再沸器(E-2)设置有LP蒸汽以达到涡轮风扇(K-1)的最小流量要求。最初使用启动真空泵(K-2)保持系统真空，并用OVHD启动冷却水冷凝器(E-5)冷凝产生的蒸汽。在得到塔顶蒸气的最小流量之后，启动涡轮风扇(K-1)并使其稳定，然后通过FFE再沸器(E-1)从塔顶蒸气中获得塔所需的再沸器负荷(re-boiler duty)。
通过这种方法，实现了低温发酵液分离以及热集成，而不会不利地影响作为发酵方法的核心的活的微生物的生长。使从气体发酵罐到蒸馏部分并回到发酵罐的管道最小化，同时在脱气装置、真空蒸馏塔等仪器中保持所需的最小体积以使发酵液在发酵罐外部的总停留时间最小化。
配置2(图2)：集成真空塔、具有涡轮风扇配置(三级涡轮风扇+启动冷冻机)的FFE
该方案(图2)进一步允许发酵液分离塔在约42℃至43℃和45mmHg的更高真空下操作。具有三级配置的涡轮风扇(K-1)足以满足具有热集成的塔的增压要求。但是，在启动期间，45mmHg的更高真空需要具有冷冻水的启动冷凝器(E-5)操作。为了冷凝器冷冻机单元中的低温，需要三级涡轮风扇配置。该配置适用于冷却水温度较高且限制蒸气的冷凝的炎热国家。此外，该配置提供了超过微生物操作温度(通常<45℃)的设计限制的显著操作余量。
配置3(图3)：集成真空塔、具有涡轮风扇配置(2级涡轮风扇+连续操作的冷冻机)的FFE
具有三级涡轮风扇的真空配置(如配置2中所提及)允许安装具有约33℃的冷却水的微调冷凝器(即，用冷却水达到露点而无需冷冻水)。同时，具有2级(配置3)的涡轮风扇具有较低的露点，并且需要冷冻水(即，连续的冷冻机操作)。该配置(图3)允许塔在45mmHg和涡轮风扇中的较小的功率下操作，并且无需一级。然而，由于冷冻机操作，存在净增加的功率需求，但也使塔底部温度有更大的裕度，引起约42℃至43℃的塔操作。
根据本发明，用于在低温(通常<45℃)下从发酵液中分离乙醇的方法使用以下主要部件：
a)具有降膜蒸发器(E-1)和真空蒸馏系统(C-1)的集成涡轮风扇(K1)；
b)具有填充材料传质床的真空蒸馏塔(C-1)；
c)来自真空蒸馏塔(C-1)的具有发酵液循环泵(P-1)的发酵液循环流的侧馏分；
d)启动真空泵(K-2)和启动塔顶冷凝器(E-5)；
e)启动辅助再沸器(E-2)；和
f)整流筒式进料机(V-2)。
根据本发明，集成涡轮风扇(K1)、降膜蒸发器(E-1)和真空蒸馏系统/发酵液汽提塔(C-1)设计为使得在过程中获得具有<0.1重量％的乙醇的发酵液循环，确保对包含活的微生物的发酵液的操作温度限制(通常<45℃)和停留时间(<10分钟)的遵守。
根据本发明，用于在低温操作下从发酵液中分离乙醇的方法公开了以下特征：
a)将发酵液进料Ex发酵罐进料到发酵液汽提塔(C1)操作，对于通常<45℃的温度在56mmHg的压力下(配置1，图1)，或者对于<43℃的温度45mmHg(配置2和3)
b)用涡轮风扇(K1)压缩来自发酵液汽提塔(C1)的塔顶蒸气以达到足以将能量/热传递至下游降膜蒸发器(E-1)的压力和温度
c)使用降膜蒸发器再沸器(E-1)，实现用于从塔塔顶蒸气到塔底水流的有效热传递的低温方法
d)使用填充床塔代替发酵液汽提塔(C1)中的塔板/栅条塔板以实现低delta P，确保在发酵液收集塔板处和塔的底部处的温度限制内的操作
e)在发酵液汽提塔(C1)的填充床部分下安装烟囱塔板以收集包含活的微生物的循环发酵液，并将收集的发酵液循环回到发酵部分中的上游发酵罐中
f)使发酵部分与发酵液分离部分之间的管道和距离最小化以使发酵区域外部的发酵液循环和停留时间最小化
g)在烟囱塔板下方安装小的塔板部分以通过FFE(E-1)产生汽提蒸汽
h)对于启动操作，安装具有低压(LP)蒸汽的辅助再沸器(E-2)以实现涡轮风扇(K-1)的最小流量要求。
i)安装真空系统以在启动和连续操作期间创建和保持真空条件
j)在炎热国家中的冷却水温度限制的情况下，对于配置2(图2)中的启动和配置3(图3)中的连续操作，对于塔顶蒸气操作塔以及冷冻机系统
所述方法保护活的微生物(生物催化剂)，满足技术从发酵液中分离乙醇所需的最高温度限制(通常<45℃)和停留时间标准(<10分钟)。
图4示出了如果用于气体发酵液分离，乙醇分离的常规方法的示意图。在主要用于由糖蜜、稻壳、麦秸等生产乙醇的常规第一代和第二代技术中采用这种类型的方案。由于常规1G/2G技术并非基于活的微生物的回收，因此可以使用低压蒸汽再沸器/直接注入在约90℃或更高的温度的蒸馏塔底部处进行乙醇分离。塔顶蒸气(富含20重量％至22重量％的乙醇)被冷凝并进一步送至下游乙醇回收和脱水部分以得到高纯度乙醇。这种类型的对流方案无法用于将生物催化剂(活的微生物)用于发酵方法的方法。如此高的温度将导致微生物的杀死，并降低上游发酵罐中的气体/生物质发酵过程中的微生物的生长/活性。
同样，图5示出了用于从发酵液中回收乙醇的膜分离方法的示意图。在这样的系统中，细胞循环膜用于从包含活的微生物的发酵液中分离乙醇-水混合物，并使微生物循环回到具有低温要求的发酵过程。然而，膜分离模块的维修和保养成本高。此外，安装这样的膜需要非常大的面积，特别是取决于进料气体成分的微生物的较低的生长速率。此外，在操作条件、进料质量和发酵液中颗粒物质的任何进入的改变方面，膜的可靠性差，并且膜的较低的寿命周期需要在项目寿命期间频繁更换。
从发酵液中分离有机化合物(即乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、异丙醇)，优选乙醇的公开的方法提供了以下技术优点：
·从包含活的微生物的发酵液中低温分离和回收乙醇，通常低于或等于50℃
·通过将包含发酵液的微生物在发酵罐外部的停留时间保持在<10分钟来确保微生物的活性
·应用集成涡轮风扇、蒸发器和真空蒸馏系统以实现能量优化并降低OPEX(操作成本)
·除启动操作之外，不需要外部蒸汽输入
·与常规方案相比，可以实现约40％至50％的功率降低
·与常规方案相比，可以实现约60％至70％的冷却水减少
·除提及的气体发酵技术之外，该方法还适用于具有温度和停留时间限制的其他发酵技术
·该方法可以用于低至1重量％的发酵液乙醇浓度
已经描述了本发明的基本方面，以下非限制性实施例说明了其具体实施方案。
配置1从气体发酵部分接收具有2重量％至3重量％的乙醇的发酵液进料，并使用该集成涡轮风扇、降膜蒸发器和真空蒸馏系统将其浓缩至20重量％至22重量％的乙醇。发酵液汽提塔56mmHg操作以保持通常<45℃的塔底(发酵液循环)温度。结果总结在表1中。
表1：使用配置1实现的乙醇分离
Figure GDA0003895926400000131
相对于如图4所述的典型常规方法，根据配置-1(图1)，本发明中公开的乙醇分离的集成方法的预期主要益处总结在表2中。
表2：用于乙醇分离的常规方法和示例中提出的本发明的比较
Figure GDA0003895926400000141
常规方法在连续的基础上需要具有LP蒸汽的再沸器。因此，如上表2所示，在常规方法的情况下，从具有2重量％至3重量％的乙醇的发酵进料中回收20重量％至22重量％的乙醇所需的能量相当于10吨/小时至12吨/小时的LP蒸汽，而在所提出的本发明中，发酵液汽提塔的连续操作不需要蒸汽。在常规方法中，为了使发酵液汽提塔塔顶蒸气在56mmHg下冷凝，由于在操作条件下产生的蒸气的低露点，需要冷冻水系统，这又反过来需要1.4MW至1.6MW的功率和1500m3/小时至1700m3/小时的冷却水以使冷冻水系统循环。相比之下，提出的乙醇分离方法仅需要0.7MW至0.8MW的功率以用于涡轮风扇操作和500m3/小时至600m3/小时的用于微调冷凝器的冷却水。

Claims (12)

1.一种用于从发酵液中分离有机化合物的集成方法，所述方法包括：
(a)在进料交换器(E-4)中预热脱气的发酵液进料，
(b)将脱气并预热的发酵液供给至发酵液汽提塔(C-1)以产生塔顶蒸气；
(c)利用涡轮风扇(K-1)压缩来自所述发酵液汽提塔的所述塔顶蒸气，以获得压力为160至200mmHg的压缩蒸气；
(d)将软化水从所述发酵液汽提塔的底部送至降膜蒸发器(E-1)；
(e)将步骤(c)中获得的所述压缩蒸气送至所述降膜蒸发器(E-1)，以从所述压缩蒸气向所述软化水进行热传递以产生汽提蒸汽，其中所述压缩蒸气冷凝以获得冷凝液和剩余蒸气的混合物，以及其中将所产生的所述汽提蒸汽送至所述发酵液汽提塔的底部；
(f)将步骤(e)中获得的所述冷凝液和所述剩余蒸气的混合物送至发酵液汽提冷凝器(E-3)，以将所述剩余蒸气冷凝成冷凝液；以及
(g)将步骤(e)和步骤(f)中获得的具有15重量％至25重量％的所述有机化合物的所述冷凝液收集在整流筒式进料机(V-2)中；
其中所述发酵液汽提塔在15℃至50℃的温度下操作1分钟至10分钟的停留时间以用于含有活微生物的发酵液液体；
其中所述有机化合物选自乙醇、丙醇、丁醇、丙酮和异丙醇。
2.根据权利要求1所述的方法，其中进料到所述发酵液汽提塔(C-1)中的所述发酵液包含1重量％至5重量％的所述有机化合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中包含小于或等于0.15重量％的所述有机化合物的发酵液再循环从所述发酵液汽提塔(C-1)的侧馏分获得，并且从所述发酵液汽提塔(C-1)再循环以用于发酵。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述发酵液汽提塔(C-1)设置有填充床部分，所述填充床部分填充有填充材料传质床，以使得所述发酵液汽提塔(C-1)能够在45mmHg至60mmHg压力的真空条件下操作。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述发酵液汽提塔(C-1)在填充床部分下方设置有烟囱塔板，以用于除去所述发酵液再循环。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述发酵液汽提塔(C-1)在底部设置有塔板部分，以用于将所述软化水提供给所述降膜蒸发器以产生汽提蒸汽。
7.根据权利要求1所述的方法，其中对于启动操作，将来自所述发酵液汽提塔(C-1)的底部产物在辅助再沸器(E-2)中用低压蒸汽加热，以产生用于启动的汽提蒸汽。
8.根据权利要求1所述的方法，其中对于启动操作，将在步骤(b)中获得的所述压缩蒸气送至启动冷凝器(E-5)以获得冷凝液，随后将所述冷凝液送至所述整流筒式进料机(V-2)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述启动冷凝器(E-5)由冷冻机组单元组成以在所述发酵液汽提塔中提供温度为42℃至43℃的45mmHg的真空压力。
10.一种用于从发酵液中分离有机化合物的集成系统，其中所述有机化合物选自乙醇、丙醇、丁醇、丙酮、异丙醇，所述系统包括：
发酵液汽提塔(C-1)，其设置有填充材料传质床的填充床部分，位于所述填充床部分下方的用于除去发酵液再循环的烟囱塔板，以及位于底部的用于将软化水提供给降膜蒸发器以产生汽提蒸汽的塔板部分；
涡轮风扇(K-1)，用于压缩从所述发酵液汽提塔(C-1)的顶部获得的蒸气；
降膜蒸发器(E-1)，用于从压缩蒸气向从所述发酵液汽提塔(C-1)的底部获得的软化水进行热传递，并获得冷凝液和剩余蒸气的混合物；
冷凝器(E-3)，用于冷凝从所述降膜蒸发器(E-1)获得的剩余蒸气，以获得冷凝液；
整流筒式进料机(V-2)，用于收集从所述冷凝器(E-3)获得的冷凝液；
辅助再沸器(E-2)，用于在启动操作期间用低压蒸汽加热来自所述发酵液汽提塔(C-1)的底部产物；以及
启动冷凝器(E-5)，用于在启动操作期间冷凝所述压缩蒸气。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述系统包括：发酵液再循环泵(P-1)，用于从所述发酵液汽提塔(C-1)的侧馏分接收发酵液再循环；其中所述发酵液再循环包含小于或等于0.15重量％的所述有机化合物。
12.根据权利要求10所述的系统，其中所述系统包括位于所述整流筒式进料机(V-2)的蒸汽出口处的启动真空泵(K-2)，用于维持真空。
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