CN1450166A - 生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇的方法，提出了采用生物质发酵与渗透汽化(PV)、蒸汽渗透(VP)技术集成制备无水乙醇的生产工艺。将发酵罐中含低浓度乙醇的发酵液抽出，通过微滤膜、透醇膜使乙醇透过增浓至含乙醇40～95wt％，根据所抽出发酵液的浓度不同，该增浓后的透过液可采用直接送入无机透水膜分离器渗透除水，或先初步蒸馏提浓，然后送入无机透水膜分离器渗透除去剩余水，最终得到≥99.5wt％的无水乙醇产品。本发明将乙醇发酵与无机膜渗透汽化、蒸汽渗透技术耦合，降低发酵过程中乙醇的抑制作用，提高生产能力，并节省了生产中的能耗，大大降低乙醇的生产成本。
Description
(技术领域)
本发明涉及一种以生物质为原料通过发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇的方法。
(背景技术)
无水乙醇，俗称无水酒精，不仅是一种非常重要的有机化工原料和溶剂，而且因其可再生和对环境无污染，被认为是可以替代石油类不可再生能源的最有发展前景的液态燃料。
目前，以农产品或植物纤维等生物质为原料制备无水乙醇工艺大多采用间歇发酵，这是因为发酵罐中乙醇浓度的增加会对发酵过程产生反馈抑制作用，使酶活性减弱，发酵能力降低，因此，生产能力低。此外，酒精浓度达到95.57％(重量)时，存在最低恒沸点，继续蒸馏已无意义，须采用其它方法进一步脱水得无水乙醇。传统的石灰脱水法、吸附法、共沸蒸馏法、萃取蒸馏法等脱水方法均存在诸多缺点，导致无水乙醇生产能力低、能耗高、设备投资大，成本过高。
(发明内容)
本发明的目的是提供一种生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇方法，将陶瓷膜渗透汽化过程与乙醇发酵过程相耦合，以减少能耗，提高装置生产能力，降低成本。
本发明制备无水乙醇的方法按以下骤：
将原料生物质置于发酵罐内，在一定温度下水解反应，当发酵罐内生成的发酵液含乙醇在3～20wt％时，将发酵液通过泵抽出，通入无机微滤膜分离器，在膜的透过侧采用真空泵抽吸，经微滤膜分离出透过液为乙醇和水，将该透过液加热至40～70℃后输入无机透醇膜分离器，透醇膜的透过侧保持真空度透醇膜的透过侧保持真空度1～5毫米汞柱，乙醇经透醇膜渗透汽化增浓至40～95wt％；将其加热至100～150℃气化后，送入无机透水膜分离器，膜的透过侧保持真空度1～5毫米汞柱，其中所含水蒸汽渗透除去，将未透过气体冷却后收集得浓度≥99.5wt％的无水乙醇。
本发明中，根据从发酵罐抽出的乙醇浓度不同，通过透醇膜渗透增浓后的乙醇浓度有所不同，当发酵罐抽出浓度为10～20wt％时，透醇膜渗透汽化后的乙醇浓度达80～95wt％；当发酵罐抽出浓度为3～10wt％时，透醇膜渗透汽化后的乙醇浓度为40～65wt％。后者在加热汽化送入透水膜分离器之前，可先送入蒸馏塔初步蒸馏提浓，从塔顶抽出含乙醇90～95wt％的提浓液，然后将提浓液加热至100～150℃气化后，送入无机透水膜分离器除水得≥99.5wt％的无水乙醇。从上述无机微滤膜分离器流出的未透过液、透醇膜分离器流出的未透过液、透水膜分离器流出的透过液一并送回发酵罐继续参与水解反应。
本发明采用的无机微滤膜的孔径为0.1～1μm，无机透醇膜是MFI型分子筛膜，无机透水膜是NaA型分子筛膜。
上述发酵罐抽出液的乙醇浓度的大小由发酵菌种的品质等条件而定。
本发明将生物质发酵与无机膜渗透汽化技术耦合，使生物质发酵生成的含低浓度乙醇的发酵液，经过微滤膜渗透、透醇膜渗透汽化而实现乙醇初步分离。未透过的酵母细胞及发酵液循环返回到发酵槽中与新加入的新鲜培养基一同继续进行发酵，消除了乙醇对发酵过程的反馈抑制作用，保证了生物发酵反应连续进行。此外80～95wt％的乙醇或通过初步蒸馏获得的90～95wt％乙醇连续通过透水膜脱水获得无水乙醇产品。本发明从原料投入至制得无水乙醇产品，可实现连续操作，与现有工艺相比，产品转化率高，操作方便，生产总能耗降低。
本发明中，透醇膜采用渗透汽化(PV)技术，乙醇和水以液体进料，在膜的另一侧通过抽真空的方法产生推动力，使乙醇不断地渗透汽化；透水膜采用蒸汽渗透(VP)技术，通过升温使料液汽化，料液以蒸汽形式与膜接触，使水蒸汽渗透而与乙醇分离。以上PV和VP是目前被认为最具发展前景的膜分离技术之一，具有一次分离度高，操作简单，无污染，低能耗的特点。
综上所述，采用膜生物反应技术，在连续制备时可提高生物反应器生产能力15-80倍，而采用膜渗透汽化生产无水乙醇，可以降低能耗50％左右。这就解决了利用生物质原料直接制备无水乙醇的核心问题：生物反应器的生产能力和乙醇的分离提纯能耗问题。
(附图说明)
图1是本发明生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇方法中的方案一的工艺流程图。
图2是本发明方法中的方案二的工艺流程图。
(具体实施方式)
实施方式一见图1。
打开阀11，注入新鲜培养基。将料液通过预热器12加热至35℃左右，注入发酵罐1内进行发酵，同时，用液泵9将已发酵的浓度7wt％的乙醇输送到微滤膜分离装置2，真空泵14使该装置真空度保持在1-5毫米汞柱。未渗透微滤膜的酵母细胞和发酵液循环返回发酵罐1，与流加到发酵罐中的新鲜培养基混合继续进行发酵；从微滤膜透过的滤出液通过阀3、液泵10及预热器4，预热至60℃，然后送入透醇膜PV分离装置5。该透醇膜装置利用管式无机膜进行渗透汽化，优先透过乙醇；未透过的料液先进入预热器12与新鲜培养基进行热量交换，然后注入发酵罐再循环。透过液中乙醇浓度为40-65wt％，经过蒸馏塔预热器6加热，送入蒸馏塔7内进行蒸馏。蒸馏温度在70-90℃左右。塔底溶液经过预热器4进行热量交换，后与装置5中未透过的溶液混合进行循环。塔顶蒸馏出的气体含有90-95wt％的乙醇，经过透水膜分离装置预热器16后，将温度提高到100-150℃，进入透水膜VP分离装置8。真空泵15使该装置真空度保持在1-5毫米汞柱。透出的主要为水蒸汽，与蒸馏塔塔底溶液混合进行循环，未透出的气体为≥99.5wt％的成品无水乙醇，和蒸馏塔预热器6进行热量交换，冷凝为液体后收集入产品储罐18。
实施方式二见图2。
打开阀11，注入新鲜培养基。将料液通过预热器12加热至35℃左右，注入发酵罐1内，用液泵9将已发酵的浓度为15wt％的乙醇输送到微滤膜分离装置2，回收发酵液中的酵母细胞和循环发酵液，与流加到发酵罐中的新鲜培养基混合继续进行发酵。透过微滤膜的滤出液通过液阀3、泵10及预热器4，预热至60℃，然后送入透醇膜PV分离装置5。真空泵14使该装置真空度保持在1-5毫米汞柱。优先透过乙醇。未透过的溶液先进入预热器12与新鲜培养基进行热量交换，然后注入发酵罐循环。透过液中乙醇浓度为80-95wt％，经预热器6后，将温度提高到100-150℃，进入透水膜VP分离装置8。真空泵15使该装置真空度保持在1-5毫米汞柱。透出的主要为水蒸汽，循环回发酵罐，未透出的气体为99.5wt％以上的成品无水乙醇，和预热器4进行热量交换，成为液体后收集入产品储罐18。
Claims (7)
1.一种生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇的方法，将原料生物质置于发酵罐内，在一定温度下水解反应，其特征是将发酵罐内含乙醇3～20wt％的发酵液通过泵抽出，通入无机微滤膜分离器，将微滤膜的透过液加热至40～70℃，然后输入无机透醇膜分离器，透醇膜的透过侧保持真空度1～5毫米汞柱，乙醇经透醇膜渗透汽化增浓至40～95wt％；将该增浓的乙醇溶液加热至100～150℃汽化，送入无机透水膜分离器，膜的透过侧保持真空度1～5毫米汞柱，使所含水蒸汽渗透除去，将未透过气体冷却后收集得浓度≥99.5wt％的无水乙醇。
2.根据权利要求1的生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇的方法，其特征是所说的从发酵罐抽出发酵液的乙醇浓度为10～20wt％，透醇膜渗透汽化后的乙醇增浓达80～95wt％。
3.根据权利要求1的生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇的方法，其特征是所说的从发酵罐抽出发酵液的乙醇浓度为3～10wt％，透醇膜渗透汽化后的乙醇增浓达40～65wt％，该透过液在送入无机透水膜分离器之前先送入蒸馏塔初步蒸馏，提浓至含乙醇90～95wt％。
4.根据权利要求1或2或3的生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇的方法，其特征是无机微滤膜采用孔径为0.1～1μm的Al2O3膜。
5.根据权利要求1或2或3的生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇的方法，其特征是无机透醇膜采用MFI型分子筛膜。
6.根据权利要求1或2或3的生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇的方法，其特征是无机透水膜采用NaA型分子筛膜。
7.根据权利要求1的生物质发酵与膜渗透汽化制备无水乙醇的方法，其特征是从上述无机微滤膜分离器流出的未透过液、透醇膜分离器流出的未透过液、透水膜分离器流出的透过液返回发酵罐继续参与水解反应。
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