CN113667700A - 混合原料发酵生产乙醇的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及酒精发酵技术领域，具体涉及具体涉及混合原料发酵生产乙醇的方法和系统，所述方法包括：(1)将混合原料依次进行糊化液化反应、糖化反应、发酵，得到发酵醪液；(2)将所述发酵醪液进行脱气、脱醛，得到粗酒精；接着将所述粗酒精分为a股液和b股液；(3)将a股液进行初次精馏，得到初精馏汽和初精馏液；将b股液进行提馏，得到提馏汽和废液；(4)将所述初精馏汽和所述提馏汽混合进行蒸馏，得到蒸馏汽；(5)将所述蒸馏汽和所述初精馏液进行二次精馏，得到再精馏汽。本发明在利用现有的三塔精馏系统的基础上，有效解决发酵醪液堵塞醪塔以及组合塔现象，实现在工业上采用混合原料发酵制备酒精。

Description

混合原料发酵生产乙醇的方法和系统
技术领域
本发明涉及酒精发酵技术领域，具体涉及混合原料发酵生产乙醇的方法和系统。
背景技术
生物燃料乙醇是以可再生的生物质为原料制成可作为燃料使用的乙醇，以其为代表的生物能源是关乎农业、能源、环境和区域经济的国家战略性新兴产业。目前，用于酒精发酵的原料主要是玉米，但是随着玉米价格的上升，乙醇生产成本也不断上涨，因此，采用水稻、小麦等混合原料代替玉米，采用混合原料生产乙醇是降低燃料乙醇成本的重要途径之一。
但是，由于水稻和小麦中的蛋白高，在液化和发酵过程中产生大量的泡沫、发酵醪液的粘度大，导致发酵醪液在后续蒸馏过程中容易在管道上结垢且堵塞管道、塔板，导致蒸馏工序无法连续稳定进行，需要经常停车检修清理，作业期间存在安全风险；此外，由水稻和小麦发酵生产得到的副产品DDGS的颜色深，降低了副产品的经济效益。小麦发酵生产燃料乙醇具有以上问题，这些原因都导致以水稻、小麦为原料发酵生产燃料乙醇很难推广下去。
现有技术中通过将玉米和水稻混合进行发酵，以降低水稻在液化和发酵过程中产生大量的泡沫的问题，但是在实际生产中，采用该方法仍然还存在起沫、醪液粘度大、使塔釜结垢的问题，此外，该方法中原料是以生料发酵的方式进行发酵的，在发酵过程中容易产生酸性物质，导致液化不完全。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的含水稻、小麦的混合原料在发酵过程中起沫、醪液粘度大，导致蒸馏系统结垢、管道堵塞的问题，提供混合原料发酵生产乙醇的方法。
本发明的发明人发现，水稻或小麦在发酵过程中容易起沫，且得到的发酵醪液粘度大，使得发酵醪液在后续的精馏过程中，容易堵塞醪塔、组合塔及其管道，导致精馏效果差，严重时还会导致蒸馏系统停车；此外，由于小麦的发酵液中含有的植物性蛋白质，在蒸馏时，这些植物性蛋白质会附着在塔釜以及管道的内壁上，导致塔釜以及管道内壁结垢，堵塞系统，需要经常停工检修。但是将水稻和小麦混合同时进行发酵时，小麦中的植物性蛋白质能够附着在稻壳的表面，并随着物料的流动，不停的冲刷塔釜以及管道，避免塔釜和管道结垢。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种混合原料发酵生产乙醇的方法，所述方法包括：
(1)将混合原料依次进行糊化液化反应、糖化反应、发酵，得到发酵醪液；
(2)将所述发酵醪液进行脱气、脱醛，得到粗酒精、低沸点杂质和废醪液；接着将所述粗酒精分为a股液和b股液；
(3)将a股液进行初次精馏，得到初精馏汽和初精馏液；
将b股液进行提馏，得到提馏汽和废液；
(4)将所述初精馏汽和所述提馏汽混合进行蒸馏，得到蒸馏汽；
(5)将所述蒸馏汽和所述初精馏液进行二次精馏，得到再精馏汽；
其中，以所述混合原料的总量计，所述混合原料中水稻和小麦的重量比为1：0.8-1。
本发明第二方面提供一种混合原料发酵生产乙醇的系统，所述系统包括发酵系统和三塔蒸馏系统，所述三塔蒸馏系统包括：醪塔，所述醪塔由下至上依次包括粗馏段、脱气段和脱醛段，所述脱气段的顶端设有进料口；用于将发酵醪液进行脱气、脱醛，得到粗酒精、低沸点杂质和废醪液；所述粗酒精分为a股液和b股液；
组合塔，所述组合塔由下至上包括提馏段和蒸馏段，所述提馏段与所述脱醛段连通，用于将所述b股液进行提馏，得到提馏汽和废液；
辅助塔，连通所述脱醛段和所述蒸馏段，用于将所述a股液进行初次精馏，得到初精馏汽和初精馏液；并将所述初精馏汽和所述提馏汽的混合物在所述蒸馏段中进行蒸馏，得到蒸馏汽；
精馏塔，与所述组合塔的顶端以及所述辅助塔的底端连通，用于将所述蒸馏汽和所述初蒸馏液进行二次精馏，得到再精馏汽；
脱水单元，分别与所述组合塔的顶端以及所述精馏塔的顶端连通，用于将所述再精馏汽和剩余部分所述蒸馏气进行脱水，得到无水乙醇。
通过上述技术方案，本发明通过将水稻、小麦等多种原料混合进行发酵，使小麦中的植物性蛋白质附着在稻壳的表面，并在不停的冲刷塔釜以及管道，能够有效避免塔釜和管道结垢；
本发明还根据混合原料发酵得到的发酵醪液的特点，将发酵醪液经醪塔脱气、脱醛得到的粗酒精直接引入组合塔或精馏塔中进行精馏，醪塔不采出脱气醪，因此，组合塔也不进脱气醪，从而能够在利用现有的三塔蒸馏系统的基础上，有效解决发酵醪液堵塞醪塔以及组合塔的现象，实现混合原料发酵制备酒精的工业化生产。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的混合原料发酵生产乙醇的系统的结构示意图；
图2是根据本发明一实施方式的醪塔的结构示意图；
图3是根据本发明一实施方式的组合塔的结构示意图；
图4是根据本发明一实施方式的精馏塔的结构示意图；
图5是对比例3中蒸馏系统结垢的照片。
附图标记说明
1、醪塔 10、进料口 11、粗馏段
111、第三出气口 112、第一出液口 12、脱气段
13、脱醛段 131、第一进气口 132、第二出液口
14、自流管 15、第一换热器 16、第二换热器
17、醪塔回流罐 18、第二出气口 2、组合塔
21、提馏段 211、第一进液口 22、蒸馏段
221、第二进气口 222、第五出气口 25、第二预热器
26、组合塔回流罐 27、组合塔回流泵 3、精馏塔
30、醪塔再沸器 31、组合塔再沸器 32、辅助塔再沸器
33、辅助塔再沸器 4、蒸汽总管 223、第五进液口
5、辅助塔 50、第一预热器 51、第四出气口
52、第三出液口 60、精馏塔进料泵 61、第二进液口
62、精馏塔预热器 63、杂醇油采出口 65、辅助塔再沸器
67、精馏塔回流泵 133、第一出气口 64、第六出气口
212、第四出液口 19、进料泵 8、第三预热器
9、脱水单元
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。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”通常是指相对于各部件本身的轮廓的内外；“远、近”通常是指相对于各部件本身的轮廓的远近。
如前所述，本发明第一方面提供一种混合原料发酵生产乙醇的方法，所述方法包括：
(1)将混合原料依次进行糊化液化反应、糖化反应、发酵，得到发酵醪液；
(2)将所述发酵醪液进行脱气、脱醛，得到粗酒精、低沸点杂质和废醪液；接着将所述粗酒精分为a股液和b股液；
(3)将a股液进行初次精馏，得到初精馏汽和初精馏液；
将b股液进行提馏，得到提馏汽和废液；
(4)将所述初精馏汽和所述提馏汽混合进行蒸馏，得到蒸馏汽；
(5)将所述蒸馏汽和所述初精馏液进行二次精馏，得到再精馏汽。
根据本发明，优选条件下，所述混合原料中还包含其它淀粉质混合原料，所述淀粉质混合原料的种类可以为所述领域技术人员所知，例如可以是玉米、高粱、糙米和木薯等中的至少一种。各种原料的含量可以根据实际生产中原料的供应情况进行调整。
本发明通过调整混合原料中水稻和小麦的含量，同时调整发酵工艺和蒸馏工艺，解决了现有的水稻、小麦混合原料发酵得到的发酵醪液在蒸馏过程中结垢、堵塞管道的问题，实现了采用多种混合原料进行发酵生产乙醇，提高混合原料的来源范围。本发明中，水稻和小麦的比例需要控制在一定范围内，当小麦含量过高时，导致小麦中的植物性蛋白不能被稻壳完全吸附，醪液中仍然含有游离的植物性蛋白，这些植物性蛋白会附着在塔釜以及管道的内壁上，导致系统结垢，优选条件下，以所述混合原料的总量计，所述混合原料中水稻和小麦的重量比为1：0.8-1。
根据本发明，为了提高乙醇的收率，优选条件下，以所述粗酒精的总量计，所述a股液的体积含量为0-60体积％；所述b股液的体积含量为40-100体积％。通过将粗酒精分为两股，能够实现热量匹配，提高能量的利用率，且方便控制组合塔的液位。
在本发明的一些优选实施方式中，所述步骤(1)进一步包括：在木聚糖酶和淀粉酶存在下，将所述混合原料进行糊化液化反应，得到液化醪；接着在所述液化醪中加入糖化酶、酸性蛋白酶和酵母种子，进行发酵，得到发酵醪液。
本发明中，为了降低液化醪的粘度、提高糊化液化的效率以及发酵醪液中的酒精含量，优选条件下，所述木聚糖酶和所述淀粉酶的重量之比为1-4：28；进一步优选地，以混合原料的总量计，所述木聚糖酶和所述淀粉酶的总添加量为0.1-0.3kg/吨。
本发明中，以混合原料的总量计，所述酸性蛋白酶的添加量为0.05-0.15kg/吨。
根据本发明，本发明采用熟料发酵的方式将所述混合原料进行糊化液化，进一步优选地，所述糊化液化反应的条件至少满足：温度为80-100℃，时间为3-4h，pH为5-6。在上述优选条件下，能够提高液化效率，提高发酵醪液中酒精的含量。
根据本发明，优选条件下，所述发酵的条件至少满足：温度为30-36℃，时间为50-60h。
根据本发明，发酵初期，如果系统中还原糖的浓度过高，会抑制酵母种子的活性和生长率，导致酵母生长率降低、死亡率升高细胞抵抗力下降，降低了发酵醪液酒度。在本发明的一些优选实施方式中，保证了酵母种子的活力，从而提高发酵醪液中的酒精含量，所述步骤(1)还包括：将所述液化醪分为c股液和d股液；
将所述c股液中与第一部分糖化酶进行混合，得到第一混合液；
将所述d股液和第二部分糖化酶混合，得到第二混合液，将所述第二混合液、酸性蛋白酶与酵母种子接触进行增殖反应，得到增殖反应液；
将所述第一混合液和所述增殖反应液混合得到第三混合液，接着将所述第三混合液进行发酵，得到发酵醪液。
本发明通过将部分糖化酶加入d股液中，使d股液同时进行液化醪的糖化反应和酵母种子的增殖，且糖化反应中还原糖的生成速率与酵母种子的增殖过程中还原糖的消耗速率相当，使得反应液中还原糖浓度较低，保证了酵母种子的活力，从而提高发酵醪液中的酒精含量。
根据本发明，优选条件下，由于第二混合液同时进行糖化反应和增殖反应，因此第二混合液中糖化酶的含量较低，则会导致糖化反应产生的还原糖较少，不能满足酵母种子增殖的需求，而糖化酶的含量较高，又会导致生成的还原糖的浓度过高，会抑制酵母种子的增殖以所述第一部分糖化酶和所述第二部分糖化酶的总量计，所述第一部分糖化酶的重量含量为60-80wt％；所述第二部分糖化酶的重量含量为20-40wt％。
根据本发明，为了进一步提高促进发酵，提高发酵醪液的酒度，优选所述c股液和所述d股液的体积比为1：0.8-1.2，例如可以为0.8：1、1：1、1.2：1或上述数值中任意两个所构成的范围中的任意值，最优选为1：1。
本发明中，为了提高能量的利用率，降低生产能耗，优选条件下，所述方法还包括：将所述低沸点杂质与所述发酵醪液进行换热。
根据本发明，优选条件下，所述方法还包括：将所述b股液与所述废液进行换热，在上述优选条件下，能够进一步提高系统能量的利用率。
根据本发明，所述废醪液可以直接送入DDGS生产装置中生产DDGS，且生产得到的DDGS的颜色较浅。
本发明中，还将所述再精馏汽进行脱水处理，得到无水乙醇(99.5体积％以上)，所述脱水处理可以是分子筛脱水。
针对混合原料发酵得到的醪液中含有大量的泡沫以及醪液粘度大，容易堵塞管道、结垢的特点，本发明不仅通过调整混合原料的种类，改善管道和塔板结垢，同时也通过改变蒸馏系统的结构，改善管道堵塞，降低系统的清洗频率。
本发明第二方面提供一种混合原料发酵生产乙醇的系统，所述系统包括发酵系统和三塔蒸馏系统，所述三塔蒸馏系统包括：醪塔1，所述醪塔1由下至上依次包括粗馏段11、脱气段12和脱醛段13，所述脱气段12的顶端设有进料口10；用于将发酵醪液进行脱气、脱醛，得到粗酒精、低沸点杂质和废醪液；所述粗酒精分为a股液和b股液；
组合塔2，所述组合塔2由下至上包括提馏段21和蒸馏段22，所述提馏段21与所述脱醛段13连通，用于将所述b股液进行提馏，得到提馏汽和废液；
辅助塔5，连通所述脱醛段13和所述蒸馏段22，用于将所述a股液进行初次精馏，得到初精馏汽和初精馏液；并将所述初精馏汽和所述提馏汽的混合物在所述蒸馏段22中进行蒸馏，得到蒸馏汽；
精馏塔3，与所述组合塔2的顶端以及所述辅助塔5的底端连通，用于将所述初蒸馏液和部分所述蒸馏汽进行二次精馏，得到再精馏汽；
脱水单元9，分别与所述组合塔2的顶端以及所述精馏塔3的顶端连通，用于将部分所述再精馏汽和剩余部分所述蒸馏气进行脱水，得到无水乙醇。
根据本发明，所述系统还包括蒸汽总管4，用于为所述系统提供热量，所述蒸汽总管4分别与所述醪塔1、组合塔2、精馏塔3以及辅助塔5的底部连通，用于分别为所述醪塔1、组合塔2、精馏塔3以及辅助塔5提供热量。
本发明中，发酵醪液由醪塔1的脱气段12进入所述醪塔1，首先在脱气段12中进行脱气得到脱气醪，脱气醪继续向上流动，并在脱醛段13中进行脱醛得到粗酒精和废醪液；粗酒精经第二出液口132采出后分为a股液和b股液，其中a股液首先在辅助塔5中进行初次精馏，得到初精馏汽和初精馏液，所述初精馏汽进入组合塔2的蒸馏段22；b股液直接引入所述组合塔2的提馏段21进行提馏，得到提馏汽和废液；其中提馏汽继续向上流动进入蒸馏段22，与所述初精馏汽混合后在所述蒸馏段22中进行蒸馏，得到蒸馏汽，蒸馏汽由所述组合塔的顶端流出后分为两股，一股进入精馏塔3中继续进行二次精馏，在精馏塔3的顶部得到再精馏汽；另一股与所述再精馏汽分别进入脱水单元9中进行脱水处理，得到乙醇蒸汽，乙醇蒸汽经冷却后得到无水乙醇(99.5体积％以上)；废醪液由醪塔1的底部采出后，直接进入DDGS生产装置生产DDGS。
本发明中，通过将混合原料发酵得到的发酵醪液经脱气、脱醛后得到的粗酒精分为两股(a股液和b股液)后部分引入组合塔2进行提馏和蒸馏，部分引入精馏塔3中进行精馏，醪塔1不采出脱气醪，组合塔2无需对脱气醪进行蒸馏，从而能够在利用现有的三塔蒸馏系统的基础上，对混合原料的发酵醪液进行蒸馏，且不会造成组合塔2的堵塞，显著降低清洗频率，保证蒸馏系统的长期稳定运行，也能够避免经常开停工清洗造成的经济损失，降低了无水乙醇的生产成本，实现混合原料尤其是含水稻原料和/或小麦原料制备无水乙醇的工业化生产；同时还能够实现热量匹配，提高能量的利用率，且方便控制组合塔的液位。
在本发明的一些优选实施方式中，所述醪塔1由下至上依次包括粗馏段11、脱气段12和脱醛段13，其中，所述粗馏段11的底端设有第一出液口112，用于采出所述废醪液；所述脱醛段13的顶端设有第一出气口133，用于采出第一部分低沸点杂质；所述脱醛段13的底端设有第二出液口132，用于采出所述粗酒精；其中，所述第二出液口132与所述辅助塔5连通，用于将所述a股液引入所述辅助塔5中进行初次精馏；所述第二出液口132与设置在所述提馏段21的顶端连通，用于将所述b股液进入所述组合塔1中进行提馏。
根据本发明，优选条件下，为了提高系统中能量的利用率，降低生产能耗，优选条件下，所述脱气段12的顶部设有第二出气口18，用于将第二部分低沸点杂质引出所述醪塔1。
根据本发明，优选条件下，为了提高系统中能量的利用率，所述系统还包括换热系统，所述换热系统分别与所述进料口10、发酵醪液进料泵、第一出气口133、第二出气口18以及醪塔回流罐17连通，用于将所述发酵醪液与所述低沸点杂质进行换热。进一步优选地，所述换热系统包括第一换热器15和第二换热器16，所述第二换热器16的管程入口连接发酵醪进料泵，所述第二换热器16的壳程分别连接所述第一出气口133和所述醪塔回流罐17的进口，用于将所述发酵醪液与从所述第一出气口133采出的第一部分低沸点杂质进行换热，得到第一预热醪液和第一冷凝液；所述第一换热器15的管程连接所述物料进口10和所述第二换热器16的管程出口，所述第一换热器15的壳程分别连接所述第二出气口18和所述醪塔回流罐17的进口，用于将所述第一预热醪液与从所述第二出气口18采出的第二部分低沸点杂质进行换热，得到第二预热醪液和第二冷凝液，其中，第一换热器15与所述进料口10连通，用于所述第二预热醪液经进料口10引入所述醪塔1；所述醪塔回流罐17用于收集所述第一冷凝液和/或第二冷凝液。
在本发明的一些优选实施方式中，所述粗馏段11的顶部设有第三出气口111，所述脱醛段13的底端设有与所述第二出气口111连通的第一进气口131。
根据本发明，优选条件下，所述脱气段12的底部与所述粗馏段11的顶端通过自流管14连通，用于将所述发酵醪液经脱气段12脱气得到的脱气醪循环引入所述粗馏段11进行粗精馏，在上述优选条件下，能够提高发酵醪液的脱气效率，提高粗酒精的产率，减少粗酒精中的杂质含量。
根据本发明，优选条件下，所述醪塔1的底部设有醪塔再沸器30，用于为所述醪塔1提供热量。
在本发明的一些优选实施方式中，所述提馏段21的顶部设有第一进液口211，所述蒸馏段22的底部设有第二进气口221，所述蒸馏段22的顶部设有第五出气口222；所述第一进液口211与所述第二出液口132连通，用于将所述b股液引入所述提馏段21中进行进行提馏，得到提馏汽和废液。
在本发明的一些优选实施方式中，所述辅助塔5的顶端设有第四出气口51，所述辅助塔5的底端设有第三出液口52，所述第四出气口51与所述第二进气口221连通，用于将所述a股液经初次精馏得到的初精馏汽引入所述蒸馏段22中进行蒸馏。
根据本发明，优选条件下，所述辅助塔5的底部还设有辅助塔再沸器33，用于将所述辅助塔5进行加热。
根据本发明，优选条件下，所述系统还包括第一预热器50，所述第一预热器50连通所述第二出液口32和所述辅助塔5的入口，用于将所述a股液进行预热后引入所述辅助塔5中进行初次精馏。
本发明中，所述废液的组成为热水，在本发明的一些优选实施方式中，为了提高所述系统的能量利用率以及实现废水的再利用，优选条件下，所述系统还包括第二预热器25，所述第二预热器25的管程进口与进料泵19连通，所述第二预热器25的管程出口与所述第一进液口211相连通，所述第二预热器25的壳程连通所述第四出液口212，用于将所述b股液与所述废液进行换热，并将换热得到的b股液从所述第一进液口211引入所述提馏段21进行提馏；经换热得到的低温废液循环引入醪塔再沸器30的水箱，进行循环利用。
进一步优选地，所述第五出气口222与所述醪塔再沸器30连通，经第五出气口22采出的蒸馏汽分为两股，一股进入醪塔再沸器30中加热醪塔1，同时所述蒸馏汽冷凝得到第三冷凝液；一股进入脱水单元9中进行脱水。
根据本发明，优选条件下，所述系统还包括组合塔回流罐26，所述蒸馏段22的上端设有第五进液口223，所述组合塔回流罐26的进口与所述醪塔再沸器30连通，用于将所述第三冷凝液经所述组合塔回流罐26中；所述组合塔回流罐26的出口分别与所述第五进液口223、脱水单元9以及精馏塔3的顶端连通；用于将经组合塔回流罐26流出的第三冷凝液分为三股，一股进入精馏塔3中进行二次精馏，一股循环引入所述组合塔2中进行蒸馏；另一股进入脱水单元9中进行脱水处理。更优选地，所述组合塔回流罐26的出液口与所述组合塔2通过组合塔回流泵27连通。
根据本发明，优选条件下，所述组合塔2的底部设有醪塔再沸器31，用于为所述组合塔2提供热量；所述醪塔再沸器31与所述精馏塔3的顶端连通，用于将所述再精馏汽引入所述精馏塔3中进行换热。在上述优选条件下，能够提高能量的利用率。
在本发明的一些优选实施方式中，所述精馏塔3的顶端设有第六出气口64，用于采出所述再精馏汽；所述第六出气口64分别与所述脱水单元9以及所述醪塔再沸器31连通；用于将所述再精馏汽分为两部分，部分所述再精馏汽引入所述精馏塔3中进行换热；剩余部分再精馏汽进入脱水单元9中进行脱水处理。
根据本发明，优选条件下，所述系统还包括精馏塔预热器62，所述精馏塔预热器62连通所述辅助塔5底端的第三出液口52和所述第二进液口61，用于所述初精馏液进行预热后引入所述精馏塔3进行二次精馏。
根据本发明，优选条件下，所述系统还包括精塔回流罐65，所述精塔回流罐65分别与所述精馏塔3的顶部、所述组合塔回流罐26连通，用于将所述第三冷凝液经精馏塔回流泵67泵送入所述精馏塔3中进行二次精馏。
根据本发明，优选条件下，所述精馏塔3的底部设有精馏塔再沸器32，所述精馏塔再沸器32与蒸汽总管4连通，通过蒸汽总管4的蒸汽通入精馏塔再沸器32对精馏塔3间接加热。
根据本发明，优选条件下，所述系统还包括组合塔再沸器31，所述组合塔再沸器31连通所述第六出气口64和所述精塔回流罐65，用于将所述第六出气口64采出的部分再精馏汽进行冷凝与所述组合塔再沸器31进行换热，得到第四冷凝液，并将所述第四冷凝液经所述精塔回流罐65循环引入所述精馏塔3进行精馏。在上述优选条件下，能够提高能量的利用效率
本发明中，经脱水单元9脱水得到的酒精蒸汽仍含有较高的热量，为了实现能量的综合利用，优选条件下，所述脱水单元9与所述辅助塔再沸器33连通，用于为所述辅助塔再沸器33供热；从辅助塔再沸器33出来的无水乙醇与第三预热器8连通，用于将所述第二预热醪液进行加热，得到第三预热醪液。
本发明中，所述脱水单元的种类可以为本领域技术人员所知，例如可以是分子筛。
在本发明的一些优选实施方式中，所述醪塔1、组合塔2、辅助塔5和精馏塔3底部均设有液位控制器和报警器，所述液位控制器与所述报警器电性连接，所述报警器能够接受所述液位控制器的信号并发出报警。通过所述液位控制器可维持塔底恒定液位，当塔底液位超过预设液位时，所述报警器能够接受所述液位控制器的信号并发出警报，便于及时发现并处理异常问题，液位控制器和报警器均为现有技术中的公知产品。
本发明提供的一种混合原料发酵生产乙醇的系统，用于对混合原料经糊化液化、糖化反应、发酵得到的发酵醪液进行蒸馏处理，包括醪塔1、组合塔2和精馏塔3，所述醪塔1、组合塔2和精馏塔3均连接有用于提供蒸馏所需热量的蒸汽总管4和再沸器，发酵成熟醪经过所述醪塔1、组合塔2和精馏塔3逐渐被蒸馏，所述醪塔1对进入塔内的发酵醪液进行脱、脱醛得到粗酒精；所述组合塔2对进入塔内的粗酒精进行正压粗馏得酒份95％以上的酒精蒸汽；所述精馏塔3对进入塔内的粗酒精进行杂醇提取和精馏，并通过分子筛脱水层进行脱水得到酒份99.5％以上的无水乙醇；该系统能够有效避免发酵醪液堵塞系统中的塔板以及管路，保证系统长期稳定运行。
图1是根据本发明一实施方式的含水稻混合原料进行发酵生产乙醇的系统的结构示意图；图2是根据本发明一实施方式的醪塔的结构示意图；图3是根据本发明一实施方式的组合塔的结构示意图；图4是根据本发明一实施方式的精馏塔的结构示意图，如图1至图4所示，在本发明的一个优选实施方式中，所述混合原料发酵生产乙醇的方法包括：
(1)在木聚糖酶和淀粉酶存在下，将混合原料(所述混合原料中水稻和小麦的重量比为1：0.8-1)在温度为80-100℃、pH为5-6的条件下进行糊化液化反应3-4h，得到液化醪；其中，所述木聚糖酶和所述淀粉酶的重量之比为1-4：28；
将所述液化醪分为c股液和d股液；
将所述c股液中与60-80wt％糖化酶进行混合，得到第一混合液；
将所述d股液和剩余20-40wt％的糖化酶混合，得到第二混合液，将所述第二混合液与酸性蛋白酶、酵母种子接触，并在温度为29℃，pH 3.5下进行增殖反应，得到增殖反应液；
将所述第一混合液注入所述增殖反应液中得到第三混合液，接着将所述第三混合液在温度为32℃的条件下进行发酵60h，得到发酵醪液；
(2a)发酵醪液依次经第二换热器16、第一换热器15进行换热，得到第二预热醪液；将所述第二预热醪液从进料口10引入醪塔1的脱气段12中，入塔后，发酵醪液中的二氧化碳、挥发酸类和低沸点杂质在负压作用下与发酵醪液分离形成蒸汽(第一部分低沸点杂质)和脱气醪(脱去气体的发酵醪液)；
脱气醪包括气态脱气醪和液态脱气醪，其中气态脱气醪继续上行进入脱醛段13进行脱醛处理，得到脱醛粗酒精和第二部分低沸点杂质；其中，脱醛粗酒精从第二出液口132排出；液态脱气醪通过自流管14流入粗馏段11中并下行，同时被塔底上升的蒸汽加热，得到上行的酒汽和下行的无酒精废醪液，酒汽继续上行并依次进入脱气段12和脱醛段13，废醪液从第一出液口112中排出，并直接进入DDGS加工装置中生产DDGS；
第一部分低沸点杂质在脱气段12上升然后从第一出气口133排出，流经第一换热器15给发酵醪液加热后冷凝成第一冷凝液流入醪塔回流罐17中；
第二部分低沸点杂质从第一出气口133排出流经第二换热器16给发酵醪液加热后冷凝成第二冷凝液流入醪塔回流罐17中；
其中，粗馏段的温度为82-86℃，压力为-50～-40kPa；脱气段的温度为60-65℃，压力为-65～-70kPa；脱醛段的温度为55-60℃，压力为-65～-70kPa；
(2b)将所述粗酒精分为a股液和b股液，以所述粗酒精的总量计，所述a股液的体积含量为60体积％；所述b股液的体积含量为40体积％；
(2c)将a股液经第一预热器50预热后进入辅助塔5中进行初次精馏，得到初精馏汽和初精馏液，所述初精馏汽经第四出气口51排出辅助塔5，并由第二进气口221进入所述组合塔2的蒸馏段22中进行蒸馏；其中，组合塔5的温度为118-123℃，压力为98-103kPa；
(2d)将b股液进行提馏，得到提馏汽和废液；
b股液经第二预热器25预热后，由第一进液口211进入所述组合塔2的提馏段21中进行提馏，b股液在组合塔2中下行，并由上升的蒸汽加热，分离形成上行的酒汽和下落的无酒精的废液，所述酒汽继续上行进入蒸馏段21，并与所述初精馏汽混合进行蒸馏、浓缩，至组合塔2的塔顶得到蒸馏汽(酒精浓度达到95％以上)；所述蒸馏汽由第五出气口222排出所述组合塔，并进入醪塔再沸器30加热醪塔1，同时蒸馏汽冷凝形成第三冷凝液，第三冷凝液接着流入组合塔回流罐26中，第三冷凝液经组合塔回流罐26流出后分两股，一股经组合塔回流泵27循环泵入组合塔中进行蒸馏，另一股进入精馏塔3中进行精馏。
所述无酒精的废液经第四出液口212排出所述组合塔2，并进入所述第二预热器25的壳程。
其中，蒸馏段22的温度为90-95℃，压力为78-81kPa；提馏段21的温度为105-109℃，压力为85-90kPa；
(2f)来自组合塔5底部的初精馏液经精馏塔预热器预热62后，由第二进液口61进入所述精馏塔3中进行精馏；在逐渐浓缩的同时，甲醇类等低沸点杂质随酒精蒸汽上升并从杂醇油采出口63流出；酒精继续上行经第六出气口64采出后分两股，一股进入脱水单元进行脱水，得到浓度99.5体积％以上的无水乙醇；另一股经组合塔再沸器31冷凝后进入精塔回流罐65，然后在精馏塔回流泵67的作用下循环加入所述精馏塔3中进行二次精馏；
其中，精馏塔3的温度为150-158℃，压力为410-420kPa。
以下通过实施例对本发明进行详细说明。
淀粉酶为杰能科(中国)生物工程有限公司的市售品；糖化酶为葡糖淀粉酶为山东隆科特酶制剂有限公司的市售品，糖化酶与原料粉末的用量为540g/吨；酵母种子为超级酿酒高活性干酵母，为安琪酵母股份有限公司的市售品；木聚糖酶为山东隆科特酶制剂有限公司的市售品；酸性蛋白酶为山东隆科特酶制剂有限公司的市售品。
以下实施例均在图1-图4所示的系统中进行。
实施例1
(1)将混合原料混合后研磨成粉，得到原料粉末，所述混合原料包含40wt％的水稻、35wt％的小麦、20wt％的玉米和5wt％的糙米；
将1吨原料粉末与水混合形成浆料，在浆料中加入0.021kg木聚糖酶和0.15kg淀粉酶，接着在温度为85℃、pH为5.5的条件下进行糊化液化反应3h，得到液化醪；将液化醪分为c股液和d股液，c股液和d股液的流量比为1：1；
将所述c股液中与75wt％糖化酶进行混合，得到第一混合液；
将所述d股液与剩余25wt％的糖化酶混合，得到第二混合液，并将第二混合液引入种子罐中，在0.085kg酸性蛋白酶和酵母种子的作用下下进行增殖反应，得到增殖反应液，所述增殖反应的条件为：温度为29℃，pH 3.5；
将所述第一混合液注入增殖反应液中得到第三混合液，接着将第三混合液在温度为32℃的条件下进行发酵60h，得到发酵醪液；
(2a)发酵醪液依次经第二换热器16、第一换热器15和第三换热器8进行换热，得到第二预热醪液；将第二预热醪液从进料口10引入醪塔1的脱气段12中，入塔后发酵醪液中的二氧化碳、挥发酸类等低沸点杂质在负压作用下与发酵醪液分离形成第一部分低沸点杂质和脱气醪；脱气醪包括气态脱气醪和液态脱气醪；
气态脱气醪继续上行进入脱醛段13进行脱醛处理，得到脱醛粗酒精和第二部分低沸点杂质；脱醛粗酒精从第二出液口132排出；液态脱气醪通过自流管14流入粗馏段11中并下行，同时被塔底上升的蒸汽加热，得到上行的酒汽和下行的无酒精废醪液，酒汽继续上行；废醪液从第一出液口112中排出，并直接进入DDGS加工装置中生产DDGS；
第一部分低沸点杂质在脱气段12上升然后从第一出气口133排出，流经第二换热器16与发酵醪液换热后形成第一冷凝液流入醪塔回流罐17中；
第二部分低沸点杂质从第二出气口18排出，流经第一换热器15和第一预热醪液加热后冷凝成第二冷凝液流入醪塔回流罐17中；
其中，粗馏段的底部温度为84.18℃，底部压力为-45.96KPa；脱气段的温度为64.89℃，压力为-67.52KPa；脱醛段的温度为58.37℃，压力为-68.53KPa；
(2b)将所述粗酒精分为a股液和b股液，以所述粗酒精的总量计，所述a股液的体积含量为60体积％；所述b股液的体积含量为40体积％；
将a股液经第一预热器50预热后进入辅助塔5中进行初次精馏，得到初精馏汽和初精馏液，所述初精馏汽经第四出气口51排出辅助塔5，并由第二进气口221进入所述组合塔2的蒸馏段22中进行蒸馏；其中，组合塔5的底部温度为120.4℃，压力为100.27kPa；
(2d)将b股液进行提馏，得到提馏汽和废液；
b股液经第二预热器25预热后，由第一进液口211进入组合塔2的提馏段21中进行提馏，b股液在组合塔2中下行，并由上升的蒸汽加热，分离形成上行的酒汽和下落的无酒精的废液，酒汽继续上行进入蒸馏段21，并与初精馏汽混合进行蒸馏、浓缩，至组合塔2的塔顶得到蒸馏汽；蒸馏汽由第五出气口222排出所述组合塔后分为两股，一股进入脱水单元9进行脱水，一股经醪塔再沸器30冷凝形成第三冷凝液并流入组合塔回流罐26中；第三冷凝液经组合塔回流罐26流出后分为三股，一股经组合塔回流泵27循环泵入组合塔中进行蒸馏，一股进入精馏塔3中进行精馏；一股进入脱水单元9进行脱水。
所述无酒精的废液经第四出液口212排出所述组合塔2，并进入所述第二预热器25的壳程与b股液进行换热，得到低温废液进入醪塔再沸器30的水箱中作为补给水；
其中，蒸馏段22的温度为93.88℃，压力为79.43kPa；提馏段21的温度为107.61℃，压力为87.36kPa；
(2f)来自组合塔5底部的初精馏液经精馏塔预热器预热62后，由第二进液口61进入所述精馏塔3中进行精馏，得到第二精馏汽；第二精馏汽在逐渐浓缩的同时，甲醇类等低沸点杂质随酒精蒸汽上升并从杂醇油采出口63流出；第二精馏汽继续上行经第六出气口64采出后分两股，一股进入脱水单元9进行脱水，得到浓度99.5体积％以上的无水乙醇；另一股经组合塔再沸器31冷凝后进入精塔回流罐65，然后在精馏塔回流泵67的作用下循环加入所述精馏塔3中进行二次精馏；
其中，精馏塔3的底部温度为152.24℃，底部压力为415.07kPa。
所述蒸馏汽和所述第二精馏汽经脱水单元9后得到的乙醇蒸汽进入辅助塔再沸器33，为辅助塔再沸器33供热，并得到液态的无水乙醇；液态的无水乙醇与所述第二预热醪液经第三换热器8换热后，进入酒精储罐；
本实施例的实验结果如表1所示。
实施例2
按照实施例1的方法，不同的是，以混合原料的总量计，木聚糖酶的用量为0.03kg；淀粉酶的用量为0.15kg；木聚糖酶和淀粉酶的质量比为1：5。
实施例3
按照实施例1的方法，不同的是，以混合原料的总量计，木聚糖酶的用量为0.015kg；淀粉酶的用量为0.15kg；木聚糖酶和淀粉酶的质量比为1：10。
实施例4
按照实施例1的方法，不同的是，糊化液化的条件为：温度为60℃。
实施例5
按照实施例1的方法，不同的是，直接将糖化酶一次性加入液化醪中进行糖化反应。
实施例6
按照实施例1的方法，不同的是，所述混合原料包含55wt％的水稻、45wt％的小麦。
实施例7
按照实施例1的方法，不同的是，所述混合原料包含30wt％的水稻、25wt％的小麦、30wt％的玉米和15wt％的木薯。
实施例8
按照实施例1的方法，不同的是，所述混合原料包含10wt％的水稻、9wt％的小麦、50wt％的玉米和31wt％的高粱。
对比例1
按照实施例1的方法，不同的是，所述混合原料包含50wt％的水稻、25wt％的小麦、20wt％的玉米和5wt％的糙米。
对比例2
按照实施例1的方法，不同的是，所述混合原料包含30wt％的水稻、35wt％的小麦、30wt％的玉米和5wt％的糙米。
表1
Figure BDA0003220602970000201
Figure BDA0003220602970000211
表1-续
Figure BDA0003220602970000212
表1中，*糖化酶是指第一混合液中糖化酶的投加量，**糖化酶是指第二混合液中糖化酶的投加量，酒度是指发酵醪液中酒精的体积百分比。
对比例3
采用CN111841053A公开的三塔蒸馏系统，对实施例1中的发酵醪液进行蒸馏，实验结果如表2所示；
如图5所示，采用本对比例的三塔蒸馏系统长期进行蒸馏后，系统结垢严重，其中5(a)是喷射器棒针的结垢情况；5(b)是喷射机协调管的结垢情况；5(c)是液化管道的结垢情况。
表2
Figure BDA0003220602970000213
Figure BDA0003220602970000221
通过表2可以看出，通过采用本发明的发酵方法和蒸馏方法，能够明显提高发酵醪液的酒度，通过采用特定比例的水稻和小麦混合进行发酵，能够降低发酵醪液的黏度，还能够缓解醪塔和精馏塔结垢和堵塞的现象。此外，由于对比例1-3中的清洗频率高，需要经常停车检修，导致开停车过程中产生的乙醇不合格、且产生了大量的废水等，提高了生产成本。
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 (13)

1.一种混合原料发酵生产乙醇的方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)将混合原料依次进行糊化液化反应、糖化反应、发酵，得到发酵醪液；
(2)将所述发酵醪液进行脱气、脱醛，得到粗酒精、低沸点杂质和废醪液；接着将所述粗酒精分为a股液和b股液；
(3)将a股液进行初次精馏，得到初精馏汽和初精馏液；
将b股液进行提馏，得到提馏汽和废液；
(4)将所述初精馏汽和所述提馏汽混合进行蒸馏，得到蒸馏汽；
(5)将所述蒸馏汽和所述初精馏液进行二次精馏，得到再精馏汽；
其中，所述混合原料中水稻和小麦的重量比为1：0.8-1。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，以所述粗酒精的总量计，所述a股液的体积含量为0-60体积％；所述b股液的体积含量为40-100体积％；
优选地，所述混合原料中还包含玉米、木薯、糙米和高粱中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤(1)包括：在木聚糖酶和淀粉酶存在下，将所述混合原料进行糊化液化反应，得到液化醪；接着在所述液化醪中加入糖化酶、酸性蛋白酶和酵母种子，进行发酵，得到发酵醪液；
优选地，所述木聚糖酶和所述淀粉酶的重量之比为1-4：28；
优选地，所述糊化液化反应的条件至少满足：温度为80-100℃，时间为3-4h，pH为5-6；
优选地，所述发酵的条件至少满足：温度为30-36℃，时间为50-60h。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤(1)还包括：将所述液化醪分为c股液和d股液；
将所述c股液中与第一部分糖化酶进行混合，得到第一混合液；
将所述d股液和第二部分糖化酶混合，得到第二混合液，将所述第二混合液、酸性蛋白酶与酵母种子接触进行增殖反应，得到增殖反应液；
将所述第一混合液和所述增殖反应液混合得到第三混合液，接着将所述第三混合液进行发酵，得到发酵醪液；
优选地，以所述第一部分糖化酶和所述第二部分糖化酶的总量计，所述第一部分糖化酶的重量含量为60-80wt％；所述第二部分糖化酶的重量含量为20-40wt％；
所述c股液和所述d股液的体积比为1：0.8-1.2。
5.一种混合原料发酵生产乙醇的系统，所述系统包括发酵系统和三塔蒸馏系统，其特征在于，所述三塔蒸馏系统包括：醪塔(1)，所述醪塔(1)由下至上依次包括粗馏段(11)、脱气段(12)和脱醛段(13)，所述脱气段(12)的顶端设有进料口(10)；用于将发酵醪液进行脱气、脱醛，得到粗酒精、低沸点杂质和废醪液；所述粗酒精分为a股液和b股液；
组合塔(2)，所述组合塔(2)由下至上包括提馏段(21)和蒸馏段(22)，所述提馏段(21)与所述脱醛段(13)连通，用于将所述b股液进行提馏，得到提馏汽和废液；
辅助塔(5)，连通所述脱醛段(13)和所述蒸馏段(22)，用于将所述a股液进行初次精馏，得到初精馏汽和初精馏液；并将所述初精馏汽和所述提馏汽的混合物在所述蒸馏段(22)中进行蒸馏，得到蒸馏汽；
精馏塔(3)，与所述组合塔(2)的顶端以及所述辅助塔(5)的底端连通，用于将所述初蒸馏液和部分所述蒸馏汽进行二次精馏，得到再精馏汽；
脱水单元(9)，分别与所述组合塔(2)的顶端以及所述精馏塔(3)的顶端连通，用于将部分所述再精馏汽和剩余部分所述蒸馏气进行脱水，得到无水乙醇。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述粗馏段(11)的底端设有第一出液口(112)，所述脱醛段(13)的顶端设有第一出气口(133)，用于采出所述第一部分低沸点杂质，所述脱醛段(13)的底端设有第二出液口(132)；
所述第二出液口(132)与所述辅助塔(5)连通，用于将所述a股液引入所述辅助塔(5)中进行初次精馏；
所述第二出液口(132)与所述提馏段(21)的顶端通过进料泵(19)连通，用于将所述b股液进入所述组合塔(2)中进行提馏。
7.根据权利要求5或6所述的系统，其中，所述脱气段(12)的顶部设有第二出气口(18)，用于将第二部分低沸点杂质引出所述醪塔(1)；
优选地，所述醪塔(1)的底部设有醪塔再沸器(30)。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述系统还包括换热系统，所述换热系统分别与所述进料口(10)、发酵醪液进料泵、所述第一出气口(133)、所述第二出气口(18)以及醪塔回流罐(17)连通，用于将所述发酵醪液与所述低沸点杂质进行换热；
优选地，所述换热系统包括第一换热器(15)和第二换热器(16)，所述第二换热器(16)连通所述第一出气口(133)和所述发酵醪液进料泵，用于将所述发酵醪液与所述第一部分低沸点杂质进行换热，得到第一预热醪液和第一冷凝液；
所述第一换热器(15)连通所述第二出气口(18)和所述第二换热器(16)的出口，用于将所述第一预热醪液与所述第二部分低沸点杂质进行换热，得到第二预热醪液和第二冷凝液；
所述醪塔回流罐(17)与所述第一换热器(15)和/或第二换热器(16)连通，用于收集所述第一冷凝液和/或第二冷凝液。
9.根据权利要求5-8任意一项所述的系统，其中，所述粗馏段(11)的顶部设有第三出气口(111)，所述脱醛段(13)的底端设有与所述第三出气口(111)连通的第一进气口(131)；
优选地，所述脱气段(12)的底部与所述粗馏段(11)的顶端通过自流管(14)连通，用于将所述发酵醪液经脱气段(12)脱气得到的脱气醪循环引入所述粗馏段(11)进行粗精馏。
10.根据权利要求5-8任意一项所述的系统，其中，所述提馏段(21)的顶部设有第一进液口(211)，所述蒸馏段(22)的底部设有第二进气口(221)，所述蒸馏段(22)的顶部设有第五出气口(222)；所述第一进液口(211)与所述第二出液口(132)连通，
优选地，所述辅助塔(5)的顶端与所述第二进气口(221)连通，用于将所述初精馏汽引入所述蒸馏段(22)进行蒸馏；
优选地，所述系统还包括第二预热器(25)，分别与所述第二出液口(132)、所述提馏段(21)的底端以及所述第一进液口(211)连通，用于将所述b股液和所述废液进行换热，并将换热得到的b股液引入所述提馏段(21)进行提馏。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述醪塔再沸器(30)与所述第五出气口(222)连通，用于将剩余部分所述蒸馏汽进行冷凝，得到第三冷凝液；
优选地，所述系统还包括组合塔回流罐(26)，所述蒸馏段(22)的上端设有第五进液口(223)，所述组合塔回流罐(26)连通所述醪塔再沸器(30)和所述第五进液口(223)，用于将所述第三冷凝液引入所述精馏塔(3)中进行二次精馏；
优选地，所述组合塔回流罐(26)与所述第五进液口(223)通过组合塔回流泵(27)连通，用于将部分所述第三冷凝液循环引入所述组合塔(2)中。
12.根据权利要求5-11任意一项所述的系统，其中，所述组合塔回流罐(26)与所述精馏塔(3)的顶端连通，用于将部分所述第三冷凝液引入所述精馏塔(3)中进行精馏；
所述精馏塔(3)的顶端设有第六出气口(64)，所述第六出气口(64)与脱水单元连通，用于将所述再精馏汽进行脱水，得到无水乙醇；
所述系统还包括精塔回流罐(65)，所述精塔回流罐(65)分别与所述精馏塔(3)的顶部、所述组合塔回流罐(26)连通，用于将部分所述第三冷凝液引入所述精馏塔(3)中进行二次精馏；
优选地，所述精馏塔(3)的中部设有第二进液口(61)，所述第二进液口(61)与所述辅助塔(5)的底端连通，用于将所述初精馏液引入所述精馏塔(3)中进行精馏；
优选地，所述系统还包括精馏塔预热器(62)，所述精馏塔预热器(62)连通所述辅助塔(5)和所述精馏塔(3)，用于所述初精馏液进行预热后引入所述精馏塔(3)进行二次精馏。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述系统还包括组合塔再沸器(31)，所述组合塔再沸器(31)连通所述第六出气口(64)和所述精塔回流罐(65)，用于将所述第六出气口(64)采出的部分再精馏汽进行冷凝，得到第四冷凝液，并将所述第四冷凝液经所述精塔回流罐(65)循环引入所述精馏塔(3)；
优选地，所述辅助塔(5)的底部设有辅助塔再沸器(33)；
优选地，所述精馏塔(3)的底部设有精馏塔再沸器(32)。
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