專利名稱：生物質發酵-分離耦合裝置及制備乙醇的方法
技術領域：
本發明涉及一種生物質發酵-分離耦合裝置及制備乙醇的方法，特別是涉 及一種以纖維素水解后產物的發酵-分離耦合裝置，以及使用該裝置生產乙醇 的方法。
背景技術：
生物質泛指所有的以植物為來源的含碳有機物質，植物接受太陽提供的光 和熱，通過光合作用將空氣中的二氧化碳轉化為含碳有機物物質，同時將部分 能量貯存下來。據估算，將每年植物以碳水化合物形式貯存下來的能量折算為電能，可達人均50萬kWh，是目前世界年人均能耗的420倍。作為開發利用 研究對象的生物質， 一般指農業和林業廢料，如秸稈、蔗渣、稻糠、木屑等。 生物質以其可再生、產量巨大、可儲存、碳循環等優點而引人注目，并且在多 種清潔后續能源中，唯一可轉化為液體燃料，與化石燃料具有很大的兼容性。 因此，以高技術開發和利用生物質制備液體燃料，日益引起世界各國的重視。 生物質可大體分為糖質原料、淀粉質原料和纖維素原料。糖質原料、淀粉 質原料制取燃料酒精的技術己很成熟。巴西用甘蔗直接生產燃料酒精，1989 年產量已達10375萬立方米。美國每年用玉米生產燃料酒精的產量也很大。但 從總體看，依靠糖蜜、糧食淀粉原料解決用量很大的燃料問題顯然是不現實的， 特別是對于人口壓力較大的國家和地區更是如此。美國《工業酶學》認為"如 果乙醇工業要生存，就必須利用木質纖維素生產"。利用葡萄糖直接發酵制備 乙醇是糧食發酵工業一個比較成熟的工藝，而在纖維素發酵制備乙醇過程中， 套用該工藝是纖維素發酵乙醇至今未能走出技術經濟關。纖維素發酵制備乙醇 的主要過程包括預處理、水解、發酵、提濃等步驟，具有生產流程長、能耗高、廢水多等不足，影響工業應用的經濟性。將傳統工藝的某些歩驟結合在一個歩驟中進行，是縮短工藝流程，降低能耗的重要方法。如可以將纖維素的糖化和發酵組合為一個步驟，如CN1505682A 等所述，還可以將酶解、發酵和分離過程組合在一個步驟進行，如CN2570289Y 所述的纖維素固相酶解-液體發酵耦合制備乙醇的裝置，在發酵的同時，采用 吸附柱將生成的乙醇吸附分離，然后將吸附柱再生得到乙醇產品。上述方法雖 然在傳統工藝上有所改進，但以纖維素為原料生產乙醇技術的經濟性仍需進一 步提高，以提高產品的市場競爭力。發明內容本發明的目的在于提供一種纖維素水解糖進行發酵-分離的裝置，以及使 用該裝置生產乙醇的方法，本發明方法在發酵的同時將乙醇分離，可以降低乙 醇對發酵過程的影響，乙醇分離方法效率高，能耗低，對發酵過程無明顯影響， 可以提高以纖維素為原料生產乙醇工藝的經濟性。本發明生物質發酵-分離耦合裝置包括生物質發酵罐，在發酵罐的液面下 設置超聲波霧化器，設置收集發酵罐液面上產生的霧化物得到乙醇溶液的霧化 物捕集器，設置收集到的乙醇溶液進一步提濃回收的裝置。設置超濾裝置，收集到的乙醇溶液在進入提濃回收裝置之前先通過超濾裝 置，超濾的目的在于回收霧化物中的少量水解糖和發酵菌體，使用截留分子量 為50~170的超濾膜即可，設置截留液循環回發酵罐的管路，減少水解糖和發 酵菌體的損失。超濾裝置的濾出液為乙醇溶液，進一步提濃回收裝置可以是超 聲波霧化提濃裝置，也可以是常規的蒸餾提濃裝置、吸附提濃裝置等。其中超 聲波霧化提濃裝置可以根據所需產品濃度的要求設置至少一級，超聲波霧化提 濃裝置在結構和原理上與設置超聲波霧化器的發酵罐相同，在超聲波霧化提濃 裝置內液面以下設置超聲波霧化器，霧化物提濃裝置霧化物捕集器捕集的液相 為濃度提高的乙醇溶液。霧化物捕集器為具有將霧化物捕集為液相物料結構的設備，如絲網結構、 填料結構、板式結構、管式結構、翅片結構等，可以靜止的設備，也可以是旋 轉的設備。霧化物捕集器優選同時帶有冷卻結構，冷卻結構內部通冷卻劑，工 作時冷卻劑降低霧化物捕集器的溫度，提高捕集回收效果，冷卻溫度可以為0 20°C。霧化物捕集器或帶有冷卻結構的霧化物捕集器是本領域技術人員所熟知 的技術內容，可以根據需要進行設計。霧化物捕集器可以設置在發酵罐外部， 也可以設置在發酵罐內液面以上的空間中。霧化物捕集器設置在發酵罐外部 時，在發酵罐液面以上位置設置霧化物排出口，在發酵罐內霧化物排出口相對 的位置設置氣相輸送裝置，如風扇等。霧化物排出口與霧化物捕集器相連通， 霧化物捕集器排出的液相進入進一歩處理裝置，設置霧化物捕集器排出氣相循 環至發酵罐的管路，在循環管路上最好設置氣相輸送動力裝置，如循環風機、 鼓風機等。或者設置霧化物捕集器排出氣相吸附裝置，采用吸附的方法回收其 中的乙醇，吸附使用常規的吸附劑，如分子篩吸附劑等，吸附飽和后再生得到 乙醇。霧化物捕集器設置在發酵罐內部時，在霧化物捕集器的上面、下西或側面 設置氣相輸送動機設備，如風扇，優選設置在霧化物捕集器的上面或側面，同 時設置霧化物捕集器液相物料排出發酵罐的管路。超聲波霧化器設置在發酵罐液面以下， 一般距液面1 10cm即可，可以設 置發酵罐液面控制器或超聲波霧化器位置確定結構，如超聲波霧化器與浮子固 定，超聲波霧化器位置可以隨液位波動而相應變化。超聲波霧化器為高頻超聲 波，頻率一般為1 10MHz，超聲波霧化器的數量和功率可以根據裝置規模和 所需的操作時間等計算或實驗確定，如裝置規模大，要求分離時間短，則需要 的超聲波霧化器數量和功率可以增加，反之則減少。本發明制備乙醇的方法，采用生物質原料發酵方法制備乙醇，使用上述發 酵-分離耦合裝置，將發酵原料放入發酵罐中，加入發酵菌體，在發酵制備乙醇的條件下進行發酵處理，當發酵液中乙醇體積濃度達到2% 8%優選3% 6% 時，啟動超聲波霧化器，從霧化物中回收乙醇溶液。本發明制備乙醇的方法中，發酵原料可以是來自各種適宜的生物質原料， 優選成本低廉、來源廣泛的纖維水解糖，結合本領域現有技術，也可以將纖維 水解也結合到本發明的發酵-分離過程中，即纖維素水解、纖維素水解糖發酵、 發酵得到乙醇的分離同時在本發明所述的裝置中進行。本發明制備乙醇的方法 可以根據需要采用連續操作方式或間歇操作方式。生物質的發酵條件是本領域 技術人員熟知的技術內容。本發明生物質發酵-分離耦合裝置及使用該裝置制備乙醇的方法中，利用 超聲波霧化時，進入霧化物中乙醇濃度高于液相中濃度的原理，將生物質的發 酵和發酵產物乙醇的分離兩個過程耦合在一個裝置中進行，還可以結合現有技 術將纖維素水解過程進一步耦合，有效縮短了工藝流程，同時降低了發酵液中 發酵產物乙醇的濃度，減小了發酵產物對酵母菌的抑制，使有的分離方法分離 效率高，操作能耗低，提高了該工藝技術的經濟性。發酵過程是在酵母菌作用 下進行的，研究發現，高頻超聲波對酵母菌的活性沒有明顯影響，本發明裝置 和方法不影響發酵的正常進行。.


圖1為本發明裝置一種具體結構示意圖，其中霧化物捕集器設置在發酵罐 外部。圖2為本發明裝置中發酵罐內部設置霧化物捕集器結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖，具體說明一種本發明裝置的詳細構成和操作方法。 在具體實施方案中，將纖維素水解糖發酵一乙醇超聲提濃耦合制備乙醇結 合在一起，在水解糖發酵裝置內外分別配備乙醇超聲波分離和超聲波提濃單元。如圖1所示，發酵罐1、纖維素水解糖發酵液2、進料口 3、發酵超聲波霧化器4、提濃超聲波霧化器ll、發酵霧化物捕集冷凝器5、提濃霧化物捕集冷 凝器12、發酵氣體循環機6、提濃氣體循環機13、發酵風扇7、提濃風扇14、 超濾機8、超濾膜9、提濃超聲霧化室IO、循環泵15、乙醇溶液16。在超聲波分離和超聲波提濃元中分別包括超聲波霧化器、風扇、霧化物 捕集冷凝器、氣體循環機四個主要部分，并且這幾個部分通過管線形成一個氣 體封閉循環線路。本發明一種具體生產乙醇的方法如下1、 向上述發酵裝置中加入無菌纖維素水解糖并接種酵母菌，在30。C下培養 12~48小時。2、 當發酵液中乙醇的體積比濃度達到3°/ ^6%時，開啟發酵罐中的超聲波分 離單元，霧化物經霧化物捕集冷凝器5冷凝捕集，未冷凝捕集的氣體在 發酵氣體循環機6和發酵風扇7的共同作用下循環回發酵罐，冷凝捕集 液進入超濾機進行膜分離，透過液可進入下一級超聲提濃單元，截留液 泵回發酵罐l。超濾使用的是截留分子量100的超濾膜。3、 透過液儲存到可供霧化時，開啟超聲波提濃單元，收集的冷凝液可再進 入下一個超聲波提濃單元直到乙醇濃度達到要求為止，也可以使用常規 分離方法進一步提濃。經提濃處理后液體乙醇的體積比濃度降至3%~6% 時，移至發酵罐中或發酵罐之前的工序如沖洗酶解物中使用。4、 當發酵液中乙醇體積濃度低于3%時，可以關閉超聲提濃單元。 所述步驟還包括當發酵液中糖的體積百分比濃度低于6%~8%時，向發酵罐中連續或間歇補加纖維素水解糖等發酵生物質原料。 下面結合實施例進一步描述本發明方法。實施例本實施例制備乙醇步驟如下1、 向發酵罐1中加入無菌纖維素水解糖并接種釀酒用酵母菌，在3(TC下培養48小時。超聲霧化器保持距液面2.5厘米。2、 當發酵液中乙醇的體積比濃度達到5%時，開啟發酵罐中的超聲提濃單 元，霧化物經捕集冷凝器5冷凝捕集，未捕集到的氣體在發酵氣體循環機6和 發酵風扇7的共同作用下循環回發酵罐1，冷凝液進入超濾機8進行膜分離， 透過液乙醇體積比濃度為8% 10%左右，可進入超聲波提濃單元，截留液經泵 15循環回發酵罐1。超濾機使用的是截留分子量100的超濾膜。霧化物捕集冷 凝器使用干冰冷阱冷卻至l(TC。3、 超濾機透過液儲存到超過可供霧化量時，開啟超聲波提濃單元，收集 到乙醇體積百分比濃度為12% 20%的冷凝液可再進入下一個超聲波提濃單元 提濃或其它提濃設備，直到乙醇濃度達到要求為止。當此超聲波提濃單元中的 待霧化液體中乙醇濃度降至6°/。時，將其轉移至發酵罐中。4、 當發酵液中乙醇體積濃度低于3%時，關閉超聲提濃單元。 所述步驟還包括當發酵液中糖的體積百分比濃度低于8%時，向發酵罐中連續或間歇補加纖維素水解糖等發酵原料。發酵罐和提濃單元使用的超聲波頻率為1.8MHz，功率約為每升液體物料
權利要求
1、一種生物質發酵-分離耦合裝置，包括生物質發酵罐，其特征在于在發酵罐的液面下設置超聲波霧化器，設置收集發酵罐液面上產生的霧化物得到乙醇溶液的霧化物捕集器，設置收集到的乙醇溶液進一步提濃回收的裝置。
2、 按照權利要求1所述的裝置，其特征在于設置超濾裝置，收集到的 乙醇溶液在進入提濃回收裝置之前先通過超濾裝置。
3、 按照權利要求2所述的裝置，其特征在于所述超濾裝置使用可以截 留分子量為50~170的超濾膜。
4、 按照權利要求3所述的裝置，其特征在于設置截留液循環回發酵罐 的管路。
5、 按照權利要求1所述的裝置，其特征在于乙醇溶液進一步提濃回收 裝置為超聲波霧化提濃裝置，蒸餾提濃裝置或吸附提濃裝置。
6、 按照權利要求5所述的裝置，其特征在于所述的超聲波霧化提濃裝 置至少設置一級，在超聲波霧化提濃裝置內液面以下設置超聲波霧化器，霧化 物提濃裝置霧化物捕集器捕集的液相為濃度提高的乙醇溶液。
7、 按照權利要求i所述的裝置，其特征在于霧化物捕集器為兵有將霧 化物捕集為液相物料結構的設備，包括絲網結構、填料結構、板式結構、管式 結構或翅片結構，為靜止的設備或者是旋轉的設備。
8、 按照權利要求1或7所述的裝置，其特征在于所述的霧化物捕集器 同時帶有冷卻結構，冷卻結構內部通冷卻劑，工作時冷卻劑降低霧化物捕集器 的溫度，冷卻溫度為0 20"C。
9、 按照權利要求1或7所述的裝置，其特征在于所述的霧化物捕集器設置在發酵罐外部，在發酵罐液面以上位置設置霧化物排出口，在發酵罐內霧 化物排出口相對的位置設置氣相輸送裝置，霧化物排出口與霧化物捕集器相連 通，霧化物捕集器排出的液相進入進一步處理裝置，設置霧化物捕集器排出氣 相循環至發酵罐的管路或者設置霧化物捕集器排出氣相吸附裝置。
10、 按照權利要求1或7所述的裝置，其特征在于霧化物捕集器設置在 發酵罐內液面以上的空間中，在霧化物捕集器的上面、下面或側面設置氣相輸 送動機設備，設置霧化物捕集器液相物料排出發酵罐的管路。
11、 按照權利要求1所述的裝置，其特征在于超聲波霧化器設置在發酵罐^夜面以下，距液面卜10cm。
12、 按照權利要求1所述的裝置，其特征在于設置發酵罐液面控制器或 超聲波霧化器位置確定結構。
13、 按照權利要求1所述的裝置，其特征在于超聲波霧化器為高頻超聲波，頻率為1 10MHz。
14、 一種制備乙醇的方法，采用生物質發酵方法制備乙醇，其特征在于使用權利要求1至13任一權利要求所述的發酵-分離耦合裝置。
15、 按照權利要求14所述的方法，其特征在于制備乙醇的過程包括將發酵原料放入發酵罐中，加入發酵菌體，在發酵制備乙醇的條件下進行發酵處理，當發酵液中乙醇體積濃度達到2%~8%，啟動超聲波霧化器，從霧化物中 回收乙醇溶液。
16、 按照權利要求14所述的方法，其特征在于所述的發酵原料來啟纖維水解糖。
17、 按照權利要求16所述的方法，其特征在于將纖維水解結合到發酵-分離過程中，即纖維素水解、纖維素水解糖發酵、發酵得到乙醇的分離同時在 所述的發酵-分離耦合裝置中進行。
全文摘要
本發明涉及一種生物質發酵-分離耦合裝置及制備乙醇的方法，裝置包括生物質發酵罐，在發酵罐的液面下設置超聲波霧化器，設置收集發酵罐液面上產生的霧化物得到乙醇溶液的霧化物捕集器，設置收集到的乙醇溶液進一步提濃回收的裝置。本發明制備乙醇的方法使用該裝置，以生物質為原料，采用發酵法生產乙醇。本發明裝置和方法在發酵的同時將乙醇分離，可以降低乙醇對發酵過程的影響，乙醇分離方法效率高，能耗低，對發酵過程無明顯影響，可以提高以纖維素為原料生產乙醇工藝的經濟性。
文檔編號C12M1/107GK101580794SQ20081001146
公開日2009年11月18日 申請日期2008年5月14日 優先權日2008年5月14日
發明者凱 喬, 全 張, 張寶國, 翟慶銅 申請人:中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司撫順石油化工研究院