CN112941113A - 纤维素原料制备乙醇的方法和系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料乙醇生产领域，公开了一种纤维素原料制备乙醇的方法和系统以及该系统在利用纤维素原料制备乙醇中的应用。在所述方法和系统中，通过使用废酸清液对纤维素原料粉碎物进行清洗，使得更为干净的物料进入酸水解和蒸汽爆破系统，保护设备的同时减少了除杂成本，提高了酸的利用率。在优选的条件下，通过系统中蒸汽和水的循环，大大减少了水耗和能耗。在优选的条件下，通过在混料绞龙中加入纤维素酶，使得物料在进行酶解前，在混料绞龙中进行了预酶解，有利于后续酶解操作的进行。通过多个工艺的配合，本发明所述的方法和系统能够提高成熟醪液中乙醇的含量，降低纤维素酶使用量、酸耗、水耗和能耗。

Description

纤维素原料制备乙醇的方法和系统及其应用
技术领域
本发明涉及燃料乙醇生产领域，公开了一种纤维素原料制备乙醇的方法和系统以及该系统在利用纤维素原料制备乙醇中的应用。
背景技术
作为可再生燃料的重点，发展燃料乙醇对我国能源结构调整，开发石油替代资源，提高清洁燃料比重，改善汽车尾气排放和大气环境质量，发展低碳经济，促进农业生产、消费的良性循环和可持续发展，实现农业增效、农民增收意义重大。
目前，用含纤维素原料生产乙醇的研究备受国内外关注，但尚未实现大规模工业化生产。
发明内容
本发明为了实现大规模工业化利用纤维素原料生产乙醇的目的，提供了一种纤维素原料制备乙醇的方法和系统以及该系统在利用纤维素原料制备乙醇中的应用，该方法能够降低水耗，提高酸的利用率。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种纤维素原料制备乙醇的方法，该方法包括：对纤维素原料依次进行粉碎、水解、酶解、发酵和蒸馏，得到乙醇；
其中，所述水解的方法包括：
(1)对纤维素原料粉碎物进行酸洗，得到酸洗物料和第一废酸液；
(2)将所述酸洗物料与酸液混合均匀，得到混酸物料，并对所述混酸物料进行酸水解，得到酸水解物料；
(3)对所述酸水解物料进行蒸汽爆破，得到水解后的物料和气爆蒸汽；
其中，在对所述混酸物料进行酸水解前，还包括对所述混酸物料进行第一脱水处理，得到脱水物料和第二废酸液；
将所述第二废酸液进行固液分离得到第二废酸清液和酸渣；
将所述第二废酸清液循环至所述酸洗步骤作为至少部分酸洗用酸，并将所述酸渣返回至所述混酸物料中。
本发明第二方面提供一种纤维素原料制备乙醇的系统，该系统包括：
粉碎单元，用于对所述纤维素原料进行粉碎，得到纤维素原料粉碎物；
水解单元，用于将所述纤维素原料粉碎物进行水解，得到水解后的物料；
酶解单元，用于将所述水解后的物料进行酶解，得到酶解液；
发酵单元，用于将所述酶解液进行发酵，得到成熟醪液；
蒸馏单元，用于将所述成熟醪液进行蒸馏，得到乙醇；
其中，所述水解单元中包括：
酸洗单元，用于将所述纤维素原料粉碎物进行酸洗，得到酸洗物料和第一废酸液；
混酸单元，用于将所述酸洗物料与酸混合均匀，得到混酸物料；
酸水解单元，用于对所述混酸物料进行酸水解，得到酸水解物料；
蒸汽爆破单元，用于对所述酸水解物料进行蒸汽爆破，得到水解后的物料和气爆蒸汽；
其中，所述酸水解单元中设置有第一脱水装置，用于在对所述混酸物料进行酸水解前，对所述混酸物料进行第一脱水处理，得到脱水物料和第二废酸液；
其中，所述系统还包括废酸液处理单元，用于将第二废酸液进行固液分离得到第二废酸清液和酸渣；
所述废酸液处理单元通过管路与所述酸洗单元连接，用于使所述第二废酸清液输送至所述酸洗单元作为至少部分酸洗用酸；
所述废酸液处理单元通过管路与所述混酸单元连接，用于将所述酸渣返回至所述混酸物料中。
本发明第三方面提供如上所述系统在利用纤维素原料制备乙醇中的应用。
通过上述技术方案，使得更为干净的物料进入酸水解和蒸汽爆破系统，保护设备的同时减少了除杂成本，提高了酸的利用率。
在本发明优选的条件下，通过系统中蒸汽和水的循环，大大减少了水耗和能耗。
在本发明优选的条件下，通过在混料绞龙中加入纤维素酶，使得物料在进行酶解前，在混料绞龙中进行了预酶解，有利于后续酶解操作的进行。
本发明所述的方法和系统能够提高成熟醪液中乙醇的含量，降低纤维素酶使用量、酸耗、水耗和能耗。
附图说明
图1是本发明所述的利用纤维素原料制备乙醇的一个优选的实施方案的流程图。
图2是本发明所述的一种优选的混料绞龙的示意图。
附图标记说明
1电机 2减速箱 3入料口 4加酶口 5桨片 6主轴 7出料口
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供一种纤维素原料制备乙醇的方法，该方法包括：对纤维素原料依次进行粉碎、水解、酶解、发酵和蒸馏，得到乙醇；
其中，所述水解的方法包括：
(1)对纤维素原料粉碎物进行酸洗，得到酸洗物料和第一废酸液；
(2)将所述酸洗物料与酸液混合均匀，得到混酸物料，并对所述混酸物料进行酸水解，得到酸水解物料；
(3)对所述酸水解物料进行蒸汽爆破，得到水解后的物料和气爆蒸汽；
其中，在对所述混酸物料进行酸水解前，还包括对所述混酸物料进行第一脱水处理，得到脱水物料和第二废酸液；
将所述第二废酸液进行固液分离得到第二废酸清液和酸渣；
将所述第二废酸清液循环至所述酸洗步骤作为至少部分酸洗用酸，并将所述酸渣返回至所述混酸物料中。
在本发明中，所述纤维素原料的种类没有特别的限制，可以是本领域常规使用的纤维素原料，比如可以为玉米秸秆、高粱秸秆、稻秆、麦秸的谷类植物的秸秆、包括豆秸的油料植物的秸秆和棉花秸秆等，优选为玉米秸秆。可以理解的是，所述秸秆包括植物的茎和叶以及可选的根。
在本发明中，所述粉碎的方法可以是本领域常规使用的手段，比如，可以使用粉碎机将纤维素原料进行粉碎。优选地，先经过一次粉碎使纤维素原料粉碎成平均长度为5-10cm的粗粉碎物，然后进行除杂处理，在进行二次粉碎，得到平均长度为0.5-3cm的细粉碎物，优选为平均长度为1-2cm的细粉碎物。
其中，所述除杂的方法可以是本领域常规的技术手段，只要能够将所述纤维素原料中的杂质去除即可。比如，可以使用除尘机去除粗粉碎物中的尘土类杂质，可以使用除杂机去除粗粉碎物中的沙石杂质，可以使用磁力吸附的方法去除其中的铁杂质。本领域技术人员可以根据需要结合前述方法进行除杂操作。
在本发明中，所述纤维素原料粉碎物进行酸洗，以得到酸洗物料。通过酸洗步骤，能够充分利用水解过程中产生的废酸，对原料进行初步的酸水解，也去除了纤维素原料粉碎物中含有的杂质，减少杂质(主要是灰尘)对蒸汽爆破步骤中的设备的损耗。
其中，第一废酸液可以直接排出，也可以进行固液分离操作后回收所述第一废酸液。优选地，对所述第一废酸液进行固液分离，得到灰渣和第一废酸清液。更优选地，将所述第一废酸清液循环至所述酸洗步骤作为至少部分酸洗用酸。所述灰渣可以直接排出或丢弃。
在本发明中，固液分离的方法可以不受特别的限制，比如可以为沉降、过滤或离心。
在本发明中，所述酸洗物料与酸液混合均匀，得到混酸物料。所述酸液的浓度可以不受特别的限制，在本发明中的一个优选的实施方式中，所述酸液为质量分数为1-3％的硫酸溶液。
在本发明中的一个优选的实施方式中，所述酸液与所述酸洗物料的重量比为1：1-3。
在本发明中，所述混合的方式可以不受特别的限制，优选地，将所述酸液雾化后与所述酸洗物料混合，然后在搅拌的条件下进行进一步混合。
在本发明中，可以根据需要按照本领域常规的方法配制酸液，所述酸液是由原料酸与配酸水配制得到。
其中，所述酸液在配制时使用的配酸水优选地至少部分来自纤维素原料制备乙醇过程中得到的凝液，比如可以为粗馏过程中得到的粗馏凝液、精馏过程中得到的精馏凝液和精馏过程中得到的塔釜凝液中的至少一种。
在本发明中，所述酸水解的方法可以是本领域常规使用的技术手段，优选地，先将所述混酸物料进行第一脱水处理，得到脱水物料和第二废酸液。优选对所述脱水物料进行加压加热处理，同时进行酸水解，得到酸水解物料。
在本发明中，所述第一脱水的方法可以是本领域常规使用的方法，比如可以通过离心、过滤、挤压和沉降的方法进行脱水，优选地，可以通过挤压的方法将所述废酸液从混酸物料中分离出来。更优选地，所述脱水物料中水分的含量优选为40-60重量％。
其中，所述加压加热处理的条件可以为本领域常规使用的方法，只需满足给所述脱水物料提供一个高温和高压的环境进行酸水解即可。优选地，所述高压是指压力为1.4-2.0MPa，更优选为1.5-1.6MPa；所述高温是指温度为 180-200℃，更优选为185-195℃；处理时间为10-120s。
在本发明中，对所述酸水解物料进行蒸汽爆破，得到水解后的物料和气爆蒸汽。所述蒸汽爆破的方法不受特别的限制，只要能够将所述酸水解物料释放到常压下即可，比如可以通过喷放阀将所述酸水解物料喷出，使压力降为常压。在本发明中，所述蒸汽爆破可以为间歇蒸汽爆破或连续蒸汽爆破，优选为间歇蒸汽爆破。
在本发明中，将所述水解后的物料进行酶解，以将所述水解后的物料转化为可发酵性糖。在本发明的一个优选的实施方式中，所述酶解的方法包括：将所述水解后的物料通过混料绞龙输送至酶解步骤，并进行酶解，得到酶解液。
优选地，该方法还包括：在所述混料绞龙中，将所述水解后的物料与纤维素酶混合。可以理解的是，所述水解后的物料和纤维素酶开始混合的部位，即添加纤维素酶的部位应该位于所述混料绞龙的前半段，优选地位于所述混料绞龙的起点至前1/4处的范围内。
在本发明中，所述混料绞龙具有桨式结构的桨片，比如如图2所示的桨式结构。所述混料绞龙优选为如图2所示的混料绞龙，所述混料绞龙包括电机1、减速箱2、入料口3、加酶口4、桨片5、主轴6和出料口7，其中，水解后的物料通过进料口3进入所述混料绞龙中，纤维素酶从加酶口4进入所述混料绞龙中，在桨片5的推动和搅拌作用下纤维素酶与水解后的物料充分混合，并进行预酶解，使得水解后的物料的粘度沿物料前进方向逐渐降低，然后，预酶解后的物料从出料口7排出。
在本发明中，所述桨片5的形状、结构、数量和分布可以不受特别的限制，能够起到搅拌和推进作用即可，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。
本发明所述纤维素酶的酶活力按照美国国家可再生能源实验室(NationalRenewable Energy Laboratory，NREL)提供的标准方法——纤维素酶活力测定NREL LAP-006测定，所述纤维素酶的酶活力单位为在该标准方法规定的测定条件下，1分钟内转化1克Whatman No.1滤纸为葡萄糖所需酶的微克数。
在本发明中，为了实现更好的酶解效果，所述酶解步骤优选包括依次进行所述第一酶解和所述第二酶解。所述第一酶解和第二酶解的设备可以分别独立地包括至少两个串联的酶解罐。所述第一酶解和第二酶解的操作条件相同，可以为本领域常规酶解的条件。在所述第一酶解和/或第二酶解过程中，可以补加纤维素酶。
在本发明中，纤维素酶的用量可以在较宽的范围内选择，优选以每克含纤维素原料的干重计，所述纤维素酶的用量为8-20酶活力单位，更优选为10-15酶活力单位。
在本发明中，所述纤维素酶可以在第一酶解和第二酶解阶段加入纤维素酶，也可以不加，本领域技术人员可以根据需要调整。
在本发明中，所述酶解的温度可以为纤维素酶的任何最适作用温度，一般为45-55℃，更优选48-52℃。
在本发明中，所述酶解的pH值可以为纤维素酶的任何最适作用pH，一般为3.0-7.0，更优选pH值为4.5-5.5。由于酶解过程中pH值的波动不大，因此所述酶解的pH值可以按照本领域常用的方法在加入酶之前进行调节，比如可以用硫酸溶液或氢氧化钠将待所述水解后的物料的pH调节至3.0-7.0，更优选调节至pH值为4.5-5.5。
酶解的时间理论上越长越好，考虑到设备利用率，优选所述第一酶解的时间为1-10小时，更优选为2-6小时；所述第二酶解的时间为25-48小时，更优选为30-40小时。
在本发明中，所述纤维素酶可以为本领域常规使用的酶，比如可经商购获得。
在本发明中，可以将所述酶解液进行发酵得到含乙醇的成熟醪液，所述发酵的方法优选包括：将菌种接种到所述酶解液中进行发酵，得到成熟醪液。
在本发明中，优选地，所述发酵的条件包括：所述发酵的pH值为2-7，优选为3-6；温度为30-36℃，优选为32-35℃；时间为32-48小时，优选32-40 小时。
在本发明的一个优选的实施方式中，该方法还包括：将部分所述成熟醪液返回至发酵步骤。
在本发明一个优选的实施方式中，该方法还包括：对发酵过程中产生的 CO2进行洗涤，并将得到的洗涤液返回至所述成熟醪液中。
在本发明中，所述成熟醪液是指发酵结束后的发酵液经菌体分离后得到的醪液。
在本发明中，所述菌种可以是本领域常规使用的用于发酵产乙醇的酵母菌，优选为树干毕赤酵母和/或酿酒酵母。以每克酶解液计，所述发酵所使用的酵母菌的接种量可以为103-108cfu，优选104-106cfu。本发明发酵所使用的酵母菌可以为酵母固体制剂或酵母菌种，比如可以为湖北安琪酵母股份公司生产的安琪超级酿酒高活性干酵母。
在本发明中所述菌种的菌落形成单位可以通过本领域公知的方法测定，比如亚甲基蓝染色活菌计数法。
在本发明中，所述菌种在接种前可以先进行活化，所述活化的方法可以是本领域常规使用的手段，比如可以将菌种接入活化罐，与水混合活化，得到种子液。也可以根据需要向活化罐中添加碳源，比如玉米糖化醪，对菌种进行活化。其中，活化的pH值可以为2-7，优选为3-6；活化温度可以为 25-40℃，优选为30-35℃；时间可以为6-16h。
在本发明中，所述菌种在接种前可以先进行至少一级扩培，所述扩培可以在摇瓶和/或扩培罐中进行。比如，可以在摇瓶中进行一级扩培，在扩培罐中进行二级扩培，得到种子液。其中，每级扩培过程中的pH值分别可以为 2-7，优选为3-6；每级扩培温度分别可以为30-36℃，优选为32-35℃；每级扩培的时间分别可以为32-48小时，优选32-40小时。所述培养基可以为本领域常规使用的培养基，比如可以为蛋白胨、无机盐、酵母所需氮源、无机盐、微量元素、维生素和玉米糖化醪，优选为固含量为10-20％的玉米糖化醪，优选地pH为6-8，使用氨水对pH进行调节。
在本发明中，所述蒸馏的目的是从成熟醪液中提取乙醇，所述蒸馏优选包括粗馏和精馏；其中，所述粗馏优选在粗馏塔中进行，所述粗馏塔优选配置有粗馏塔再沸器，所述粗馏塔再沸器的至少部分热源优选来自所述气爆蒸汽，所述气爆蒸汽优选在所述粗馏塔再沸器中进行换热形成粗馏凝液。
在本发明的一个优选的实施方式中，该方法还包括将所述粗馏凝液循环至所述酸水解步骤中用作至少部分配酸水。
其中，所述粗馏的方法可以是本领域常规使用的方法，优选地将所述成熟醪液在粗镏塔中于70-90℃下进行粗馏，得到废醪液和粗馏馏分。
在本发明中，所述精馏的方法可以是本领域常规使用的方法，所述精馏优选在精馏塔中进行，所述精馏塔配置有精馏塔再沸器。所述精馏可以在至少一个配置有精馏塔再沸器的精馏塔中进行，比如可以为2个配置有精馏塔再沸器的精馏塔。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述精馏在精馏塔中进行，所述精馏塔配置有精馏塔再沸器；所述精馏塔再沸器的热源来自新鲜蒸汽，所述新鲜蒸汽在所述精馏塔再沸器中进行换热形成精馏凝液。
在本发明的一个更优选的实施方式中，该方法还包括将所述精馏凝液循环至所述酸水解步骤中用作至少部分配酸水。
在本发明的一个更优选的实施方式中，精馏过程中产生的塔釜凝液循环至所述酸水解步骤中用作至少部分配酸水。所述塔釜凝液一般指的是如下所述的第一精馏过程中产生的塔釜凝液。
优选地，将所述粗馏馏分在第一精馏塔中100-140℃下进行第一精馏，所得第一精馏馏分再在第二精馏塔中于140-160℃下进行第二精馏，得到第二精馏馏分。其中，经过所述第一精馏过程，除了获得的第一精馏馏分，还能够得到杂醇油。
在本发明中，还可以对所述蒸馏得到的乙醇进行第二脱水处理，以得到燃料乙醇。其中，第二脱水的方法可以是本领域常规使用的方法，比如可以使用分子筛和/或膜分离脱水可得乙醇。所述分子筛的工作条件可以为筛吸附温度为120-140℃，吸附压力0.02-0.06MPa，再生的条件为-0.02至-0.06Mpa。
优选地，经所述第二脱水单元后得到所述燃料乙醇前将第二脱水得到的成品酒气用于与成熟醪液进行换热，经换热后的成品酒气得到燃料乙醇。
本发明第二方面提供一种纤维素原料制备乙醇的系统，该系统包括：
粉碎单元，用于对所述纤维素原料进行粉碎，得到纤维素原料粉碎物；
水解单元，用于将所述纤维素原料粉碎物进行水解，得到水解后的物料；
酶解单元，用于将所述水解后的物料进行酶解，得到酶解液；
发酵单元，用于将所述酶解液进行发酵，得到成熟醪液；
蒸馏单元，用于将所述成熟醪液进行蒸馏，得到乙醇；
其中，所述水解单元中包括：
酸洗单元，用于将所述纤维素原料粉碎物进行酸洗，得到酸洗物料和第一废酸液；
混酸单元，用于将所述酸洗物料与酸混合均匀，得到混酸物料；
酸水解单元，用于对所述混酸物料进行酸水解，得到酸水解物料；
蒸汽爆破单元，用于对所述酸水解物料进行蒸汽爆破，得到水解后的物料和气爆蒸汽；
其中，所述酸水解单元中设置有第一脱水装置，以在对所述混酸物料进行酸水解前，对所述混酸物料进行第一脱水处理，得到脱水物料和第二废酸液；
其中，所述系统还包括废酸液处理单元，用于将第二废酸液进行固液分离得到第二废酸清液和酸渣；
所述废酸液处理单元通过管路与所述酸洗单元连接，用于使所第二废酸清液输送至所述酸洗单元作为至少部分酸洗用酸；
所述废酸液处理单元通过管路与所述混酸单元连接，用于将所述酸渣返回至所述混酸物料中。
在本发明中，优选地，所述废酸液处理单元通过管路与所述酸洗单元连接，用于使所述第一废酸液从酸洗单元输送至所述废酸液处理单元。
在本发明中，为了保证将所述纤维素原料粉碎物连续稳定地输送至所述水解单元，可以在水解单元前设置缓冲料仓。
在本发明中，所述酸洗单元可以包括本领域常规使用的设备，比如可以为漂洗机。
在本发明中，所述混酸单元可以包括本领域常规使用的设备，比如可以为混合输送机或稀酸配制罐。
在本发明中，所述酸水解单元可以包括本领域常规使用的设备，比如可以为蒸煮系统。
在本发明中，所述蒸汽爆破单元可以包括本领域常规使用的设备，比如可以为喷放阀。所述喷放阀可以设置在所述蒸煮系统的出口处，在喷放阀开启的瞬间使蒸煮系统中的酸水解原料释放到常压并喷出。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述水解单元包括酸洗单元、混酸单元、酸水解单元、蒸汽爆破单元和废酸液处理单元。所述水解单元中的酸洗单元包括漂洗机，用于对所述纤维素原料粉碎物进行酸洗，去除其中的杂质。所述混酸单元包括稀酸配制罐和混合运送机，其中，所述稀酸配制罐用于将配酸水与原料酸进行混合；所述稀酸配制罐通过管路与所述混合运送机连接，优选地所述管路中设有稀酸泵，用于泵送所述稀酸液；所述混合运送机用于将所述酸液与所述酸洗物料进行混合，得到混酸物料。所述酸水解单元包含蒸煮系统和蒸汽发生器，其中，所述第一脱水装置为蒸煮系统配置的喂料器；所述蒸汽发生器用于为所述蒸煮系统提供压力为0.8-1.0MPa的饱和蒸汽。所述蒸汽爆破单元与所述蒸煮系统通过管路连接，所述蒸汽爆破单元包括喷放阀，用于将来自所述蒸煮系统的酸水解物料释放到常压环境中。所述常压环境是指压力为大气压的环境。所述蒸煮系统通过管路与所述废酸液处理单元相连，所述废酸液处理单元包含旋转格栅和沉降槽；其中所述旋转格栅和沉降槽用于将所述第二废酸液进行第一固液分离，得到第二废酸清液和酸渣。所述沉降槽用于将所述第一废酸液进行第二固液分离，得到灰渣和第一废酸清液。所述废酸液处理单元通过管路与所述酸洗单元连接，用于将第一废酸清液和第二废酸清液输送至所述酸洗单元。所述废酸液处理单元通过管理与所述混酸单元连接，用于将所述酸渣返回至所述混酸物料中。
在本发明中，所述酶解单元优选包括混料绞龙和酶解装置。其中，所述混料绞龙优选用于将所述水解后的物料输送至酶解装置，进行酶解。
优选地，所述酶解装置包括第一酶解装置和第二酶解装置，更优选地，所述混料绞龙用于将所述水解后的物料输送至第一酶解装置，进行第一酶解，然后将第一酶解的物料通过管路输送至第二酶解装置，进行第二酶解。
在本发明中，该系统还优选包括纤维素酶供给单元，所述混料绞龙优选通过管路与纤维素酶供给单元连接，使得在所述混料绞龙中将纤维素酶与所述水解后的物料混合。
在本发明中，所述混料绞龙优选具有桨式结构的桨片，可以为如图2所示的混料绞龙中的桨片5。
在本发明中，所述发酵单元包括：发酵罐，所述发酵罐中装有酶解液，用于接种菌种并对所述菌种发酵；和成熟醪液罐，用于接收发酵后的成熟醪液，并对其进行储存。
优选地，在所述发酵罐和所述成熟醪液罐之间还设置有回流管路，以将部分所述成熟醪液回流至发酵罐中，剩余部分所述成熟醪液通过管路输送至蒸馏单元。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述系统还包括CO2洗涤单元，用于对发酵单元的发酵罐中产生的CO2进行洗涤，得到洗涤液；其中，所述 CO2洗涤单元通过管路与所述成熟醪液罐相通，用于将所述洗涤液返回至所述成熟醪液罐中。
在本发明中，所述蒸馏单元包括粗馏单元和精馏单元；其中，所述粗馏单元包括配置有粗馏塔再沸器的粗馏塔，所述粗馏塔再沸器通过管路与所述蒸汽爆破单元相通，以使所述气爆蒸汽循环至所述粗馏塔再沸器，作为所述粗馏塔再沸器的至少部分热源，与所述粗馏塔再沸器进行换热，得到粗馏凝液。
在本发明中，优选地，所述成熟醪液进入粗馏塔之前，使用如下所述的成品酒气进行加热。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述粗馏塔再沸器与所述混酸单元连接，用于将所述粗馏凝液循环至所述混酸单元中用作至少部分配酸水。
在本发明中，所述精馏单元包括配置有精馏塔再沸器的精馏塔，所述精馏塔再沸器的热源来自新鲜蒸汽，所述新鲜蒸汽在所述精馏塔再沸器中进行换热形成精馏凝液。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述精馏塔再沸器通过管路与所述混酸单元连接，用于将所述精馏凝液循环至所述混酸单元中用作至少部分配酸水。
在本发明的一个优选的实施方式中，优选地，所述精馏塔与所述混酸单元通过管路连接，用于将所述塔釜凝液循环至所述混酸单元中用作至少部分配酸水。
在本发明的一个优选地实施方式中，所述蒸馏单元包括粗馏单元和精馏单元。所述粗馏单元包括配置有粗馏塔再沸器的粗馏塔。所述粗馏塔再沸器通过管路与所述蒸汽爆破单元相通，以使所述气爆蒸汽循环至所述粗馏塔再沸器，作为所述粗馏塔再沸器的至少部分热源，与所述粗馏塔再沸器进行换热，得到粗馏凝液；所述粗馏塔再沸器与混酸单元的稀酸配制罐连接，用于将所述粗馏凝液循环用作至少部分配酸水。所述精馏单元包括配置有第一精馏塔再沸器的第一精馏塔和配置有第二精馏塔再沸器的第二精馏塔，所述第一精馏塔再沸器使用新鲜蒸汽作为所述第一精馏塔再沸器的热源，得到精馏凝液；所述第一精馏塔和所述第一精馏塔再沸器分别通过管路与所述稀酸配制罐连接，用于分别将塔釜凝液和所述精馏凝液循环用作至少部分配酸水。所述第二精馏塔中经过第二精馏得到乙醇。
在本发明中，所述塔釜凝液是指第一精馏塔中得到的蒸汽凝液。
在本发明中，所述新鲜蒸汽是指通过蒸汽发生设备直接得到的蒸汽。
在本发明中，该系统还可以包括第二脱水单元，用于将所述乙醇脱水制成无水乙醇，所述第二脱水单元优选包括分子筛吸附床。
优选地，经所述第二脱水单元后得到所述燃料乙醇前将第二脱水得到的成品酒气用于与成熟醪液进行换热，经换热后的成品酒气得到燃料乙醇。
在本发明中，本发明提供的系统包括的进一步特征以及在本发明的系统中进行发酵制乙醇的方法在如上第一方面已经进行了充分的阐述，为了避免不必要的重复，在此不再一一赘述。
本发明第三方面提供所述系统在利用纤维素原料制备乙醇中的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，原料酸为98％的浓硫酸，耗酸量以每生产1t乙醇所消耗的浓硫酸的体积计。
纤维素酶购自诺维信公司。
酵母菌为湖北安琪酵母股份公司的安琪超级酿酒高活性干酵母。
实施例1
本实施例用于说明本发明所述的纤维素原料生产乙醇的方法
本实施例中的步骤参照按照图1所示的流程图进行操作。
(1)粉碎单元
将玉米秸秆通过一次粉碎机粉碎至平均长度为约7cm的长段，然后进入除杂机进行除杂，所述除杂机的上方设有除尘机，用于去除灰尘。将所述除杂后的物料进行二次粉碎，将其粉碎至平均长度约为1.5cm的碎片，得到纤维素原料粉碎物。所述纤维素原料粉碎物输送至缓冲料仓，用于为水解单元提供原料。
(2)水解单元
将所述纤维素原料粉碎物在漂洗机中进行酸洗，得到第一废酸液和酸洗物料，第一废酸液经沉降槽沉降后得到第一废酸清液，所述第一废酸清液回用做至少部分酸洗用酸。
得到的酸洗物料在混合运送机中与来自稀硫酸配制罐的质量分数为2％的稀硫酸雾化液进行混合，得到混酸物料，其中稀硫酸和酸洗物料的重量比为1：1.8。
所述混酸物料输送至蒸煮系统，从蒸煮系统的喂料器中挤压得到第二废酸液和脱水物料。脱水物料进入蒸煮系统在加压加热情况下进行酸水解，得到酸水解物料，其中，压力为1.5Mpa，温度为190℃，处理时间为30s。酸水解处理后，打开喷放阀，使得所述蒸煮系统中的酸水解物料释放至常压环境中，得到气爆蒸汽和水解后的物料。
所述第二废酸液经过旋转格栅分离和沉降槽得到第二废酸清液和酸渣，所述第二废酸清液循环至漂洗机中用于酸洗的部分用酸，所述酸渣返回至混合运输机中。
(3)酶解单元
将所述水解后的物料输送至混料绞龙中，所述混料绞龙的结构如图2所示。所述混料绞龙包括电机1、减速箱2、入料口3、加酶口4、桨片5、主轴6和出料口7，其中，水解后的物料通过进料口3进入所述混料绞龙中，纤维素酶从加酶口4进入所述混料绞龙中，在桨片5的推动和搅拌作用下纤维素酶与水解后的物料充分混合，并进行预酶解，使得水解后的物料的粘度沿物料前进方向逐渐降低，然后，预酶解后的物料从出料口7排出。
将预酶解的物料输送至第一酶解装置的两个串联的酶解罐中进行第一酶解8h，所述酶解的温度为50℃；然后再在第二酶解单元中的10个串联的酶解罐中进行第二酶解，总酶解时间为36h，酶解温度为50℃。其中，以每克含纤维素原料的干重计，所述纤维素酶的用量为12酶活力单位。
(4)发酵单元
取酿酒酵母加入活化罐，与水混合活化10h。
将液化液和活化后的酿酒酵母输送至发酵罐中，进行发酵，其中，相对于1克上述液化产物，所述酒精酵母的接种量为105cfu。接种后在搅拌条件下培养，发酵的条件为：发酵的温度为35℃，pH至为4.25，发酵的时间为 40小时，过滤处理后得到成熟醪液。
(5)蒸馏单元
将所述成熟醪液在82℃进行粗馏，得到废醪液和粗馏馏分，所得粗馏馏分在120℃下第一精馏，所得二次精馏馏分再在157℃下第二精馏，再利用分子筛脱水得到成品酒气，所述成品酒气用于与成熟醪液进行换热，换热后的成品酒气得到燃料乙醇。
其中，步骤(2)中得到的气爆蒸汽用作粗馏塔再沸器的至少部分热源，在粗馏塔再沸器中形成粗馏凝液；使用新鲜蒸汽为精馏塔再沸器提供热源，得到精馏凝液；第一精馏塔中形成塔釜凝液。
将粗馏塔再沸器中得到的粗馏凝液、精馏塔再沸器中得到的精馏凝液和塔釜凝液输送至稀酸配制罐中，用作至少部分配酸水。
其中，成熟醪液中乙醇的质量含量、纤维素酶使用量、耗酸量、耗水量和耗蒸汽量见表1。
实施例2
本实施例用于说明本发明所述的纤维素原料生产乙醇的方法
按照实施例1所述的方法进行操作，不同的是，所述绞龙为输送绞龙。
其中，成熟醪液中乙醇的质量含量、纤维素酶使用量、耗酸量、耗水量和耗蒸汽量见表1。
实施例3
本实施例用于说明本发明所述的纤维素原料生产乙醇的方法
按照实施例1所述的方法进行操作，不同的是，所述气爆蒸汽中性处理后进入污水处理。
其中，成熟醪液中乙醇的质量含量、纤维素酶使用量、耗酸量、耗水量和耗蒸汽量见表1。
对比例1
本对比例用于说明本发明所述的纤维素原料生产乙醇的方法
按照实施例1所述的方法进行操作，不同的是，所述酸洗单元中得到的第一废酸液和第二废酸液直接排放至污水处理单元进行处理。
其中，成熟醪液中乙醇的质量含量、纤维素酶使用量、耗酸量、耗水量和耗蒸汽量见表1。
表1
Figure BDA0002313406540000181
通过表1的结果可以看出，采用本发明优选的实施方式的实施例1具有显著提高发酵效果，降低耗酸量、纤维素酶用量、耗水量和耗蒸汽量的效果。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种纤维素原料制备乙醇的方法，其特征在于，该方法包括：对纤维素原料依次进行粉碎、水解、酶解、发酵和蒸馏，得到乙醇；
其中，所述水解的方法包括：
(1)对纤维素原料粉碎物进行酸洗，得到酸洗物料和第一废酸液；
(2)将所述酸洗物料与酸液混合均匀，得到混酸物料，并对所述混酸物料进行酸水解，得到酸水解物料；
(3)对所述酸水解物料进行蒸汽爆破，得到水解后的物料和气爆蒸汽；
其中，在对所述混酸物料进行酸水解前，还包括对所述混酸物料进行第一脱水处理，得到脱水物料和第二废酸液；
将所述第二废酸液进行固液分离得到第二废酸清液和酸渣；
将所述第二废酸清液循环至所述酸洗步骤作为至少部分酸洗用酸，并将所述酸渣返回至所述混酸物料中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述酶解的方法包括：将所述水解后的物料通过混料绞龙输送至酶解步骤，并进行酶解，得到酶解液；
优选地，该方法还包括：在所述混料绞龙中，将所述水解后的物料与纤维素酶混合；
优选地，所述混料绞龙具有桨式结构的桨片。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述发酵的方法包括：将菌种接种到酶解液中进行发酵，得到成熟醪液；
优选地，该方法还包括：对发酵过程中产生的CO2进行洗涤，并将得到的洗涤液返回至所述成熟醪液中。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述蒸馏包括粗馏和精馏；
其中，所述粗馏在粗馏塔中进行，所述粗馏塔配置有粗馏塔再沸器，所述粗馏塔再沸器的至少部分热源来自所述气爆蒸汽，所述气爆蒸汽在所述粗馏塔再沸器中进行换热形成粗馏凝液；
优选地，该方法还包括将所述粗馏凝液循环至所述酸水解步骤中用作至少部分配酸水。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述精馏在精馏塔中进行，所述精馏塔配置有精馏塔再沸器；所述精馏塔再沸器的热源来自新鲜蒸汽，所述新鲜蒸汽在所述精馏塔再沸器中进行换热形成精馏凝液；
优选地，该方法还包括将所述精馏凝液循环至所述酸水解步骤中用作至少部分配酸水；
优选地，该方法还包括将精馏过程中产生的塔釜凝液循环至所述酸水解步骤中用作至少部分配酸水。
6.一种纤维素原料制备乙醇的系统，其特征在于，该系统包括：
粉碎单元，用于对所述纤维素原料进行粉碎，得到纤维素原料粉碎物；
水解单元，用于将所述纤维素原料粉碎物进行水解，得到水解后的物料；
酶解单元，用于将所述水解后的物料进行酶解，得到酶解液；
发酵单元，用于将所述酶解液进行发酵，得到成熟醪液；
蒸馏单元，用于将所述成熟醪液进行蒸馏，得到乙醇；
其中，所述水解单元中包括：
酸洗单元，用于将所述纤维素原料粉碎物进行酸洗，得到酸洗物料和第一废酸液；
混酸单元，用于将所述酸洗物料与酸混合均匀，得到混酸物料；
酸水解单元，用于对所述混酸物料进行酸水解，得到酸水解物料；
蒸汽爆破单元，用于对所述酸水解物料进行蒸汽爆破，得到水解后的物料和气爆蒸汽；
其中，所述酸水解单元中设置有第一脱水装置，用于在对所述混酸物料进行酸水解前，对所述混酸物料进行第一脱水处理，得到脱水物料和第二废酸液；
其中，所述系统还包括废酸液处理单元，用于将第二废酸液进行固液分离得到第二废酸清液和酸渣；
所述废酸液处理单元通过管路与所述酸洗单元连接，用于使所述第二废酸清液输送至所述酸洗单元作为至少部分酸洗用酸；
所述废酸液处理单元通过管路与所述混酸单元连接，用于将所述酸渣返回至所述混酸物料中。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述酶解单元包括混料绞龙和酶解装置；
其中，所述混料绞龙用于将所述水解后的物料输送至酶解装置，进行酶解；
优选地，该系统还包括纤维素酶供给单元，所述混料绞龙通过管路与纤维素酶供给单元连接，使得在所述混料绞龙中将纤维素酶与所述水解后的物料混合；
优选地，所述混料绞龙具有桨式结构的桨片。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其中，所述发酵单元包括：
发酵罐，所述发酵罐中装有酶解液，用于接种菌种并对所述菌种发酵；和
成熟醪液罐，用于接收发酵后的成熟醪液，并对其进行储存。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述系统还包括CO2洗涤单元，用于对所述发酵单元中产生的CO2进行洗涤，得到洗涤液；
其中，所述CO2洗涤单元通过管路与所述成熟醪液罐相通，用于将所述洗涤液返回至所述成熟醪液罐中。
10.根据权利要求6所述的系统，其中，所述蒸馏单元包括粗馏单元和精馏单元；
其中，所述粗馏单元包括配置有粗馏塔再沸器的粗馏塔，所述粗馏塔再沸器通过管路与所述蒸汽爆破单元相通，以使所述气爆蒸汽循环至所述粗馏塔再沸器，作为所述粗馏塔再沸器的至少部分热源，与所述粗馏塔再沸器进行换热，得到粗馏凝液；
优选地，所述粗馏塔再沸器与所述混酸单元连接，用于将所述粗馏凝液循环至所述混酸单元中用作至少部分配酸水。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述精馏单元包括配置有精馏塔再沸器的精馏塔，所述精馏塔再沸器的热源来自新鲜蒸汽，所述新鲜蒸汽在所述精馏塔再沸器中进行换热形成精馏凝液；
优选地，所述精馏塔再沸器通过管路与所述混酸单元连接，用于将所述精馏凝液循环至所述混酸单元中用作至少部分配酸水；
优选地，所述精馏塔与所述混酸单元通过管路连接，用于将精馏塔中形成的塔釜凝液循环至所述混酸单元中用作至少部分配酸水。
12.权利要求6-11中任意一项所述系统在利用纤维素原料制备乙醇中的应用。
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