CN114350476B - 一种抑制发酵后醪液酸化的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及工业发酵技术领域，尤其涉及一种抑制发酵后醪液酸化的系统及方法。所述系统包括：发酵装置，用于菌株和营养物质混合后发酵；控温装置，与所述发酵装置的排出端连通，用于使与所述发酵装置的第一醪液控制在预定温度；醪液暂存装置，与所述控温装置连通，用于容纳所述控温装置输出端排出的醪液；乙醇提纯装置，与所述醪液暂存装置连通，用于回收利用所述醪液暂存装置中的乙醇；对发酵后的醪液进行升温和降温，使发酵醪液保持在预定温度，预定温度会使菌体死亡或抑制活性，减少菌体消耗残留营养成分和酸性物质产生，达到抑制酸化的目的。
Description
技术领域
本申请涉及工业发酵技术领域，尤其涉及一种抑制发酵后醪液酸化的系统及方法。
背景技术
随着国家科技创新能力的发展，通过菌种开发，筛选出一种利用CO为碳酸和能源生产乙醇的菌种，已经开始大规模用于乙醇生产，并已形成完整的工艺链，具有较高的商业价值和广阔的应用前景。新技术以CO为碳源和能源，向发酵罐中持续通入含有CO气体，通过气液接触吸收碳源，利用菌体代谢生成乙醇，相比传统的发酵法使用粮食为原料，利用酵母，通过无氧发酵方式，再进行蒸馏提纯获得高浓度乙醇的方法，本工艺不仅成本低廉，且不用消耗粮食，在当前因影响下的国际大环境下，显现出巨大的优势，同时本工艺通过发酵将CO转化为乙醇，达到固碳的目的，有效降低了CO2的排放。发酵产出的优质菌体蛋白，通过后续分离提纯，能够作为优质蛋白质来源，具有非常深刻的意义。
在乙醇连续发酵工艺中，需要源源不断向外排出含菌和含乙醇的醪液，含菌醪液在排出发酵罐以后，醪液中菌体仍然具有活性，能够利用醪液中残留的营养物质继续生长，如何抑制菌株消耗醪液中带出的乙醇，抑制乙酸的产生，减少对后续的污水处理带来不利影响，是亟需解决的问题。
发明内容
本申请提供了一种抑制发酵后醪液酸化的系统及方法，以解决醪液酸化的技术问题。
第一方面，本申请提供了一种抑制发酵后醪液酸化的系统，所述系统包括：
发酵装置，用于菌株和营养物质混合后发酵；
控温装置，与所述发酵装置的排出端连通，用于使与所述发酵装置的第一醪液控制在预定温度；
醪液暂存装置，与所述控温装置连通，用于容纳所述控温装置输出端排出的醪液；
乙醇提纯装置，与所述醪液暂存装置连通，用于回收利用所述醪液暂存装置中的乙醇。
可选的，所述控温装置包括：
热交换装置，与所述发酵罐的醪液输出管线连通，用于使所述热交换装置中的醪液在预定温度；
温度检测装置，设于所述热交换装置，用于监测所述热交换装置中醪液的温度；
热源装置，与所述热交换装置连通，用于提供热源给所述热交换装置；
冷源装置，与所述热交换装置连通，用于提供冷源给所述热交换装置；
控制装置，与所述温度检测装置以信号连接，用于接收温度检测装置监测到的温度；所述控制装置分别与所述热源装置、所述冷源装置和所述热交换装置以信号连接，用于控制所述热源装置、所述冷源装置和热交换装置的启闭实现控制所述热交换装置中醪液的温度。
可选的，所述系统还包括：液相色谱检测装置，设于醪液暂存装置，用于监测所述醪液暂存装置中醪液的代谢产物成分及含量。
可选的，所述液相色谱检测装置与所述控制装置以信号连接，用于传输所述液相色谱检测装置检测得到的数据。
可选的，所述温度检测装置包括醪液进口远传温度检测装置和醪液出口远传温度检测装置，分别设于所述热交换装置的进口端和出口端。
可选的，所述系统还包括：醪液输出泵，设于所述醪液输出管线上，位于所述热交换装置与发酵装置之间，用于为醪液的输出提供动力。
第二方面，本申请提供了第一方面所述抑制发酵后醪液酸化的系统所用的方法，所述方法包括以下步骤：
将发酵后第一醪液进温度控制，得到预定温度的第二醪液；
将所述第二醪液进行乙醇提取，得到乙醇和排出醪液。
可选的，所述方法还包括：
实时检测第二醪液中代谢产物的成分和含量，通过热源和冷源的启闭，以调节所述预定温度。
可选的，当环境温度或所述第一醪液的温度＞20℃，所述预定温度为40～80℃。
可选的，当环境温度或所述第一醪液的温度＜20℃，所述预定温度为0～15℃。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请实施例提供的该系统中，发酵装置，用于菌株和营养物质混合后发酵；控温装置，与所述发酵装置的排出端连通，用于使与所述发酵装置的第一醪液控制在预定温度；醪液暂存装置，与所述控温装置连通，用于容纳所述控温装置输出端排出的醪液；乙醇提纯装置，与所述醪液暂存装置连通，用于回收利用所述醪液暂存装置中的乙醇。对发酵后的醪液进行升温和降温，使发酵醪液保持在预定温度，预定温度会使菌体死亡或抑制活性，减少菌体消耗残留营养成分和酸性物质产生，达到抑制酸化的目的。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地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，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种抑制发酵后醪液酸化的系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种抑制发酵后醪液酸化的方法的流程示意图。
其中，1、发酵罐，2、醪液外排泵，3、热交换器，4、醪液进口远传温度计，5、醪液出口远传温度计，6、控制装置，7、热源装置，8、冷源装置，9、醪液暂存罐，10、乙醇提纯装置。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通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他实施例，都属于本申请保护的范围。
第一方面，本申请提供了一种抑制发酵后醪液酸化的系统，所述系统包括：
发酵装置，用于菌株和营养物质混合后发酵；
具体地，发酵装置包括但不限于发酵罐。
控温装置，与所述发酵装置的排出端连通，用于使与所述发酵装置的第一醪液控制在预定温度；
具体地，所述预定温度为40～80℃，或0～15℃。
醪液暂存装置，与所述控温装置连通，用于容纳所述控温装置输出端排出的醪液；
具体地，所述醪液暂存装置仅作为暂时存放醪液作用，为前后工序之间缓冲，其大小不做限制，也可以用醪液运输管道替代。
乙醇提纯装置，与所述醪液暂存装置连通，用于回收利用所述醪液暂存装置中的乙醇。
具体的，乙醇提纯装置分离乙醇和蛋白，进入污水处理工序，处理后的污水可以返回发酵罐回用，也可以外排。
本申请实施例中的系统，由于在连续气液混合发酵制乙醇的过程中，为保持发酵罐菌浓、菌种活度和营养成分的稳定性，需要连续不断向下游排出含菌的醪液。由于排出的醪液内残留菌体仍有活性，发酵液中还残留部分营养成分，残留菌体会利用这部分营养物质继续生长，产生乙酸，造成发酵液酸化，同时造成发酵液中有效成分乙醇的损失，因此使用本实施例的系统。
本申请实施例中，还可以设置自控阀，自控阀分别与温度检测装置和控制装置连接，受控制装置控制。
在一些实施方式中，所述控温装置包括：
热交换装置，与所述发酵罐的醪液输出管线连通，用于使所述热交换装置中的醪液在预定温度；
具体地，热交换装置，可以为热交换器，可以通过使醪液保持在预定温度，降低残余菌体活性，从而有效抑制发酵液酸化现象，减少有效代谢产物乙醇的损失，减轻后续污水的负荷。醪液保持在预定温度，能有效保护菌体蛋白，防止蛋白变性，对后续蛋白分离不会造成影响。
温度检测装置，设于所述热交换装置，用于检测所述热交换装置中醪液的温度；
具体地，温度检测装置包括但不限于温度计。
在一些实施方式中，所述温度检测装置包括醪液进口远传温度计和醪液出口远传温度计，分别设于所述热交换装置的进口端和出口端。
为了精确测量热交换装置中醪液的温度，在热交换装置的进口端和出口端分别设于远传温度计，可以对醪液的温度的变化进行实时调节。
热源装置，与所述热交换装置连通，用于提供热源给所述热交换装置；
具体地，热源装置包括但不限于蒸汽发生器，热源装置通过管道与热交换装置连接，通过控制装置，实现对经过热交换装置的发酵醪液的升温，用于使发酵醪液稳定在一定温度。
冷源装置，与所述热交换装置连通，用于提供冷源给所述热交换装置；
具体地，冷源装置包括但不限于制冷机，冷源装置通过管道与热交换装置连接，对经过热交换装置的发酵醪液降温，并能使发酵醪液稳定在一定温度。
具体地，热源装置和冷源装置可以为二选一的装置，也可以是同时使用的装置；如果外部温度过低，则采用冷源装置，对发酵醪液降温，通过控制装置的阀门切换，投用冷源装置，停用热源装置，对发酵醪液降温，达到抑制菌体活性的目的，减少代谢产酸；如果外部温度较高，则启用热源装置，停用冷源装置，通过控制阀门切换，热源装置开始工作，对发酵醪液升温，达到抑制菌体活性的目的，减少代谢产酸。
控制装置，与所述温度检测装置以信号连接，用于接收温度检测装置检测到的温度；所述控制装置分别与所述热源装置、所述冷源装置和所述热交换装置以信号连接，用于控制所述热源装置、所述冷源装置和热交换装置的启闭实现控制所述热交换装置中醪液的温度；控制制冷机和蒸汽发生器的启闭时，外温高时可用蒸汽发生器为发酵醪液进行降温，外温低时可以对发酵液进行加热，达到节能的目的，起中间信号转换的作用。
具体地，控制装置包括但不限于：DCS控制元件，热交换装置上装有温度检测装置，可以为远传温度检测装置，远传温度检测装置能将温度实时反馈给DCS控制元件。控制装置能够根据醪液温度选择采用制冷系统还是加热系统，可以控制制冷机和蒸汽发生器的启停，决定对发酵液进行加热还是降温，达到降低能耗的目的
在一些实施方式中，所述系统还包括：液相色谱检测装置，设于醪液暂存装置，用于检测所述醪液暂存装置中醪液的代谢产物成分及含量。
具体地，醪液暂存装置可以为醪液排放管道。
在一些实施方式中，所述液相色谱检测装置与所述控制装置以信号连接，用于传输所述液相色谱检测装置检测得到的数据。
具体地，液相色谱检测装置，能检测发酵醪液中主要代谢产物变化趋势，并将数据传输给控制装置，控制装置根据得到的数据，调节热源或冷源，控制进入醪液暂存罐的醪液温度。所述控制装置接收到所述液相色谱检测装置的数据时，根据所述数据，调节所述热源装置或所述热源装置，控制进入所述醪液暂存罐的醪液温度。
在一些实施方式中，所述系统还包括：醪液输出泵，设于所述醪液输出管线上，位于所述热交换装置与发酵装置之间，用于为醪液的输出提供动力。
第二方面，本申请提供了第一方面所述抑制发酵后醪液酸化的系统所用的方法，如图 2所示，所述方法包括以下步骤：
S1.将发酵后第一醪液进温度控制，得到预定温度的第二醪液；
S2.将所述第二醪液进行乙醇提取，得到乙醇和排出醪液。
在一些实施方式中，所述方法还包括：
实时检测第二醪液中代谢产物的成分和含量，通过热源和冷源的启闭，以调节所述预定温度。
在一些实施方式中，当环境温度或所述第一醪液的温度＞20℃，所述预定温度为40～80℃。
具体地，为了防止菌体蛋白变性，预定温度为40～80℃，还可以避免过高温度造成的发酵液中乙醇蒸发损失；当环境温度或所述第一醪液的温度＞20℃，所述预定温度为40～80 ℃，便于节约能源。通过境温度或所述第一醪液的温度，调整不同的预定温度，有利于节能。环境温度为空气温度，也可以理解为四季的气温。
在一些实施方式中，当环境温度或所述第一醪液的温度＜20℃，所述预定温度为0～15 ℃。
具体地，为了降低菌体消耗残留营养成分，可以用冷源进行降温，从而抑制菌体活性，降低菌体消耗残留营养成分，达到抑制酸化的目的；环境温度或所述第一醪液的温度＜20℃，所述预定温度为0～15℃，便于节约能源；将发酵液降温至脱离菌体生长最适温度范围，降低菌体代谢速度，此过程不易将温度降至过低。可以在环境温度较低时降低能耗，0～15℃就能有效降低菌体代谢活性，过低则有结冰风险，不利用后续乙醇和蛋白分离，降低温度不会造成菌体蛋白变性，因而不用担心会对后续菌体蛋白分离工序造成影响。过低温度会影响发酵液流动性，不利于后续菌体蛋白和乙醇的分离提纯。环境温度为空气温度，也可以理解为四季的气温。
下面将结合实施例、对比例及实验数据对本发明的方法进行详细说明。
实施例1
本实施例提供了一种抑制发酵后醪液酸化的系统，如图1所示，所述系统包括：
发酵装置，用于菌株和营养物质混合后发酵，具体为发酵罐1；
热交换装置，与所述发酵罐的醪液输出管线连通，用于使所述热交换装置中的醪液在预定温度，具体为热交换器3；
温度检测装置，设于所述热交换装置，用于监测所述热交换装置中醪液的温度；
热源装置7，与所述热交换装置连通，用于提供热源给所述热交换装置，具体为蒸汽发生器；
冷源装置8，与所述热交换装置连通，用于提供冷源给所述热交换装置，具体为制冷器；
控制装置6，与所述温度检测装置以信号连接，用于接收温度检测装置监测到的温度；所述控制装置分别与所述热源装置、所述冷源装置和所述热交换装置以信号连接，用于控制所述热源装置、所述冷源装置和热交换装置的启闭实现控制所述热交换装置中醪液的温度；
醪液暂存装置9，与所述热交换装置连通，用于保存所述热交换装置输出端排出的醪液；
乙醇提纯装置10，与所述醪液暂存装置连通，用于回收利用所述醪液暂存装置中的乙醇；
液相色谱检测装置，设于醪液暂存装置，用于检测所述醪液暂存装置中醪液的代谢产物成分及含量。
本申请提供了抑制发酵后醪液酸化的系统所用的方法，所述方法包括以下步骤：
将发酵后第一醪液进温度控制，得到预定温度的第二醪液；预定温度为8℃。
将所述第二醪液进行乙醇提取，得到乙醇和排出醪液。运行时，首先，发酵罐1运行稳定后，开始外排含菌醪液，外排醪液通过醪液外排泵2打入热交换器3，然后进入醪液暂存罐，在醪液进入热交换器3之前，经过温度传感器，温度传感器将数据传给控制装 6，控制装置检测此时醪液温度较低，给醪液降温耗费能量较低，启动冷源装置8，关闭冷源装置的阀门，打开热源装置的阀门，开始向热交换器输出冷介质，对醪液进行降温，通过远传温度检测装置，包括：醪液进口远传温度检测装置4和醪液出口远传温度检测装置 5，感知温度是否达到要求的温度，如未达到，则继续提高制冷机负荷，如果已经达到，则将温度控制在一定值。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：
控制装置检测醪液进口远传温度检测装置传来的温度信号，显示发酵醪液温度较高，经分析，此时降温能耗较大，对发酵液升温能有效降低能耗，则关闭冷源装置8，关闭冷源的阀门，打开热源的阀门，启动热源装置7，开始向热交换器输出热介质，对醪液进行升温，控制装置通过远传温度检测装置5感知温度是否达到要求的温度，如未达到，则继续提高蒸汽负荷，直至达到要求温度为止。需要注意的是，如果温度过高，则会使后续蛋白分离困难，蛋白粉质量降低。预定温度为50℃。第二醪液温度升至40～80度即可，温度高于80度会造成蛋白变性，乙醇蒸发损失产量，具体温度可根据耗能进行确定，本公司经多次验证，实际生产过程中采用50℃为最佳温度。
对比例1
本实施例提供了一种抑制发酵后醪液酸化的系统，所述系统包括：
发酵装置，用于菌株和营养物质混合后发酵，具体为发酵罐1；
醪液暂存装置，与所述控温装置连通，用于容纳所述控温装置输出端排出的醪液；
乙醇提纯装置，与所述醪液暂存装置连通，用于回收利用所述醪液暂存装置中的乙醇。
对实施例1-2和对比例1中的醪液进行检测，得到的检测结果如表1和表2。
表1使用冷源装置对醪液进行降温后得到的数据结果。
表2使用热源装置对醪液进行降温后得到的数据结果。
实施例1和对比例1中，实施例1中预定温度为8℃，具体数据见表1，对比工艺投用前后数据，暂存罐中OD含量提高2.6g/L，乙醇含量提高5.4g/L，乙酸含量降低 3.5g/L，工艺投用以后，OD和乙醇等有效成分含量明显提高，造成酸化的主要物质乙酸含量降低，说明降温能有效控制发酵醪液酸化，保留发酵醪液有效成分。通过投用本工艺，可使本公司多产蛋白粉6.7吨/每天，乙醇14.0吨/每天，在基本不增加消耗的情况下，每天可增加直接经济效益13.04万元，同时乙酸含量降低，使排至污水的废水中挥发酸含量降低，降低污水处理负荷，具有一定的环保效益。
实施例2和对比例2中，发酵罐排出端的醪液指标相同，实施例2中预定温度为50℃，通过表2数据，对比工艺投用前后数据，暂存罐中OD含量提高2.0g/L，乙醇含量提高4.6g/L，乙酸含量降低3.5g/L，通过工艺投用以后，能明显降低OD和乙醇的损失，同时降低发酵液产酸，说明升高温度亦能有效控制发酵醪液酸化。升高温度使发酵液高于菌种最适生长温度，能有效降低发酵醪液酸化度，减少有效代谢产物损失。通过每日产能计算。年产4.5万吨乙醇项目中，投用本工艺以后，可实现每日多产蛋白粉5.2t，乙醇 11.9t，少产乙酸9.1t，每天可增加直接经济效益10.78万元，实施数据中，还将温度升至 80度以上进行过测试，虽然乙酸含量降低较多，但乙醇并没有明显增加，且醪液罐出现发泡现象，并在罐底发现胶状沉聚物，分析原因，可能是温度过高，乙醇沸点本身较低，造成乙醇蒸发流失造成的，同时在换热过程中，由于受热不均匀等现象存在，过高温度致使菌体蛋白变性，OD反而下降更多，变性蛋白起泡严重，反而不利用后续乙醇和菌体蛋白的分离。所以实际应用中，应根据需要选用合适的温度。
通过加热和降温两组数据对比，发现降低温度控制酸化效果要优于提高温度，但是就实际运行而言，给发酵液降温显然需要更多耗能，而工业生产过程中，热源相对充足，给发酵液升温耗能相对较少，本工艺就是采用乙醇蒸馏后的余馏水给发酵醪液升温，基本没有增加工艺能耗。所以，在实际应用过程中，应根据实际需要和醪液特性，选用合适的工艺。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
1、本申请的系统及方法，可有效控制发酵外排醪液温度，使发酵液处在菌体最适生长温度范围之外，降低发酵液残留菌体活性，从而达到控制酸化的目的。
2、本申请的系统及方法，相对温和，升温达到抑菌的目的即可，不会因为温度过高而造成乙醇蒸发，不会造成蛋白变性，降温仅会降低菌体活性，对后续乙醇和菌体蛋白提纯不会造成影响，不会造成乙醇产量降低。
3、本申请的系统，拥有升温和降温两条系统，能够根据外部环境温度进行切换，能有效降低能耗，工艺中提到的热源可以用系统余热代替，不需要另外再引入蒸汽热源。
4、本申请的系统，自动化程度较高，DCS根据在线数据变化自动控制装置的启停，有效降低人工成本，使工艺参数更稳定。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种抑制发酵后醪液酸化的系统，其特征在于，所述系统包括：
发酵装置，用于菌株和营养物质混合后发酵；
控温装置，与所述发酵装置的排出端连通，用于使所述发酵装置的第一醪液控制在预定温度；
醪液暂存装置，与所述控温装置连通，用于容纳所述控温装置输出端排出的醪液；
乙醇提纯装置，与所述醪液暂存装置连通，用于回收利用所述醪液暂存装置中的乙醇；
所述控温装置包括：
热交换装置，与所述发酵装置的醪液输出管线连通，用于使所述热交换装置中的醪液在预定温度；
温度检测装置，设于所述热交换装置，用于监测所述热交换装置中醪液的温度；
热源装置，与所述热交换装置连通，用于提供热源给所述热交换装置；
冷源装置，与所述热交换装置连通，用于提供冷源给所述热交换装置；
控制装置，与所述温度检测装置以信号连接，用于接收温度检测装置监测到的温度；所述控制装置分别与所述热源装置、所述冷源装置和所述热交换装置以信号连接，用于控制所述热源装置、所述冷源装置和热交换装置的启闭实现控制所述热交换装置中醪液的温度；
所述系统还包括：液相色谱检测装置，设于醪液暂存装置，用于监测所述醪液暂存装置中醪液的代谢产物成分及含量；
所述液相色谱检测装置与所述控制装置以信号连接，用于传输所述液相色谱检测装置检测得到的数据；
所述温度检测装置包括醪液进口远传温度检测装置和醪液出口远传温度检测装置，分别设于所述热交换装置的进口端和出口端。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：醪液输出泵，设于所述醪液输出管线上，位于所述热交换装置与发酵装置之间，用于为醪液的输出提供动力。
3.一种如权利要求1-2任意一项所述抑制发酵后醪液酸化的系统所用的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将发酵后第一醪液进行温度控制，得到预定温度的第二醪液；
将所述第二醪液进行乙醇提取，得到乙醇和排出醪液。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
实时检测第二醪液中代谢产物的成分和含量，通过热源和冷源的启闭，以调节所述预定温度；
当环境温度或所述第一醪液的温度＞20℃，所述预定温度为40～80℃；
当环境温度或所述第一醪液的温度＜20℃，所述预定温度为0～15℃。
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