專利名稱：一種發(fā)酵和滲透汽化耦合生產(chǎn)乙醇的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物質(zhì)發(fā)酵制備燃料乙醇的生產(chǎn)方法，尤其涉及其中發(fā)酵過程與 滲透汽化耦合生產(chǎn)乙醇的前期預(yù)處理工藝的改造，屬燃料乙醇制備領(lǐng)域。
技術(shù)背景生物質(zhì)發(fā)酵制備燃料乙醇引起了世界各國的關(guān)注，其中尤其是用纖維素(如 農(nóng)作物的秸桿)作為發(fā)酵物發(fā)酵制備燃料乙醇是燃料乙醇發(fā)展的必然趨勢，所以 打通纖維素發(fā)酵制備燃料乙醇的技術(shù)路線就成為各國科學(xué)家廣泛關(guān)注的熱門課 題。發(fā)酵過程的代謝產(chǎn)物(乙醇)的大量累積對發(fā)酵過程有較大的反饋抑制作用， 這會嚴重影響乙醇的產(chǎn)率。近年來，為了消除產(chǎn)物的抑制作用，提高發(fā)酵效率,將 發(fā)酵過程與分離過程進行耦合的技術(shù)路線日益得到重視，特別是將發(fā)酵過程與滲 透汽化分離過程進行耦合開發(fā)新的發(fā)酵過程以獲得高酒精得率，成為當(dāng)前發(fā)酵 工程的主要研究課題之一。該工藝是先將滲透汽化透醇膜與生物發(fā)酵過程耦合， 生成的乙醇及時移出發(fā)酵體系，進而提高發(fā)酵速率，據(jù)估計，此工藝可提高效率 15-80倍；然后采用透水膜，用滲透汽化過程替代傳統(tǒng)的精餾過程，所需能耗是原來的10%，因此利用滲透汽化技術(shù)來分離發(fā)酵生產(chǎn)的乙醇可達到降低成本的目的。在纖維素發(fā)酵體系其中含有15 40%的固含物(未能發(fā)酵的木質(zhì)素)，這會對下 游的滲透汽化分離過程帶來嚴重的污染，在以往的報道中，生物發(fā)酵反應(yīng)器中的 反應(yīng)物要經(jīng)過微濾等預(yù)處理才能進入滲透汽化分離過程，這樣的工藝過程不僅運 行成本高，工業(yè)界難以接受，而且還增加了染菌的可能性，既會影響菌體的進一 步代謝，又增加了酵母的死亡率，導(dǎo)致發(fā)酵速率下降，而且其自身也會伴隨著嚴重 的抑制物累計現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)酵過程不穩(wěn)定。因此，開發(fā)一種新的預(yù)處理工藝就成 為發(fā)酵過程與滲透汽化分離過程的耦合工藝能否順利運行的基礎(chǔ)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了降低現(xiàn)有預(yù)處理工藝的技術(shù)成本，提高發(fā)酵過程的穩(wěn)定 性等而提出的一種發(fā)酵和滲透汽化耦合生產(chǎn)乙醇過程中發(fā)酵體系預(yù)處理的工藝， 以提高酒精發(fā)酵得率，并降低滲透汽化膜分離過程的污染。本發(fā)明的技術(shù)方案為在發(fā)酵罐底部設(shè)計了 一種內(nèi)置式過濾分離器可將發(fā)酵 體系的固懸物與清液分開，清液部分首先被負壓過濾進入一個儲蓄罐，然后通過 輸送泵輸送到滲透汽化膜分離器，并通過滲透汽化過程的滲余液循環(huán)沖洗來減輕 發(fā)酵罐底部內(nèi)置式過濾分離器的堵塞。發(fā)酵罐的發(fā)酵產(chǎn)物在負壓的氣氛下，也容 易進入儲蓄罐。改進后的工藝流程更加適合與滲透汽化過程的銜接，增加了發(fā)酵 過程與滲透汽化過程二者之間的匹配程度，使得下游的滲透汽化過程的污染現(xiàn)象 得到較為明顯的改善，也使得整個發(fā)酵過程更加穩(wěn)定。本發(fā)明的具體技術(shù)方案為一種發(fā)酵和滲透汽化耦合生產(chǎn)乙醇過程中發(fā)酵體系預(yù)處理的工藝，其特征在 于生物質(zhì)在微生物作用下在發(fā)酵罐中發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，當(dāng)罐中乙醇體積濃度達到1 一25%時，在真空系統(tǒng)的作用下，發(fā)酵罐中的清液經(jīng)發(fā)酵罐底部的過濾網(wǎng)式分離 器過濾后被輸送到儲蓄罐中，通過輸送泵將清液輸送到滲透汽化膜分離器，滲透 汽化膜分離器在真空系統(tǒng)的作用下，清液中已發(fā)酵制得的乙醇被吸附到滲透汽化 膜分離器中的復(fù)合膜表面并溶解，然后擴散通過膜進入滲透汽化膜的滲透側(cè)后被 冷凝器收集得到濃縮的乙醇。本發(fā)明在真空系統(tǒng)的作用下，通過發(fā)酵罐底部的過 濾網(wǎng)式分離器的設(shè)計來分離發(fā)酵液中的固懸物和清液，發(fā)酵罐底部的過濾網(wǎng)式分 離器由過濾介質(zhì)和固定支撐部件組成。過濾網(wǎng)式分離器的設(shè)計中最為關(guān)鍵的是根 據(jù)實際的發(fā)酵體系選取相應(yīng)孔徑的過濾介質(zhì)，其中包括片式無機分離膜(材質(zhì)可 以是莫來石、A1203、 Zr02、 Ti02)，燒結(jié)的多孔合金板，沙鋼板，不銹鋼濾網(wǎng)等， 在過濾網(wǎng)式分離器的上面有多路接口，根據(jù)實際的情況，采用滲于液循環(huán)的方式 沖洗過濾介質(zhì)表面，并根據(jù)堵塞的情況，選用幾路接口，并調(diào)節(jié)相應(yīng)的流速 (Ora/s-lm/s)，以降低過濾網(wǎng)式分離器的污染。本發(fā)明過濾網(wǎng)式分離器和滲透汽化過程采用同一個真空系統(tǒng)提供過程所需 的驅(qū)動力。過濾時與滲透汽化分離時的壓力大致為50-500Pa。上述的滲透汽化膜分離器由膜組件和復(fù)合膜(透醇復(fù)合膜)組成。其中復(fù)合膜 (透醇復(fù)合膜)是由支撐體和制備于支撐體表面的對乙醇具有親和力的活性分離 層組成。本發(fā)明采用的支撐體材料可以是無機的莫來石、A1203、 Zr02、 Ti02、 Si02中的一種材料或一種以上復(fù)合材料；也可以是有機的聚砜、聚丙烯腈或纖維 素等。所述的對乙醇具有親和力的活性分離層的材料為硅橡膠、聚三甲基硅丙炔、 聚丙烯、聚丁二烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或其衍生物、丁苯橡膠、丁腈橡膠或分子篩。其中活性分離層的厚度根據(jù)實際的需要可以做相應(yīng)的調(diào)整(大致在 20-55//W)，為了獲得較高的通量，在保證選擇性的前提下，分離層是越薄越好，但是在實際的過程中清液在膜表面的剪切會造成部分膜層的脫落，因此膜層并不 是越薄越好，根據(jù)實際的需要來調(diào)節(jié)分離層的厚度。由于復(fù)合膜是在支撐體上制備一層對乙醇具有親和力的活性分離層，因此所述的復(fù)合膜的構(gòu)形取決于支撐體的構(gòu)形為管式、巻式、平板或中空纖維式；管式為外膜或內(nèi)膜。下面針對附圖1對本發(fā)明的工藝進行進一步詳細的說明生物質(zhì)在微生物作用下在發(fā)酵罐1中發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，當(dāng)罐中乙醇體積濃度達 到1一25%時，開啟真空泵9，控制閥3和5，發(fā)酵罐中的清液經(jīng)發(fā)酵罐l底部的 過濾網(wǎng)式分離器2過濾后被輸送到儲蓄罐4中，清液在儲蓄罐4經(jīng)輸送泵6連續(xù) 輸送進入滲透汽化膜分離器7，在真空系統(tǒng)驅(qū)動下，發(fā)酵液中的乙醇吸附到滲透 汽化膜分離器的復(fù)合膜面溶解，擴散通過復(fù)合膜的滲透側(cè)后進入冷卻器8收集得 到濃縮的乙醇。物流的走向是清液(用A表示)，經(jīng)過濾網(wǎng)式分離器2后進入儲蓄罐4，儲蓄 罐4中的清液(用B表示)經(jīng)泵輸送進入滲透汽化膜分離器7，滲透組份(用C表 示)被冷卻器8收集，滲余液(用D表示)經(jīng)泵輸送進入發(fā)酵罐1，以沖洗過濾介 質(zhì)的表面。有益效果綜上所述，本發(fā)明經(jīng)發(fā)酵罐底部的過濾網(wǎng)式分離器將發(fā)酵罐中的固懸物與清 液分開后再進行滲透汽化，并通過滲余液的循環(huán)沖洗來降低發(fā)酵罐底部的堵塞， 這樣的過程可以使發(fā)酵液中乙醇的濃度保持在較低水平,從而減小甚至消除乙醇 對酵母細胞的抑制,使細胞活性增強,提高乙醇發(fā)酵產(chǎn)率；此外，細胞活性增強又 促使細胞密度增加，提高乙醇體積產(chǎn)率，而細胞活性和密度的增加又能促進底物 的充分利用。改進后的發(fā)酵工藝更加適合和滲透汽化技術(shù)的銜接，增加了二者之 間的匹配程度，提高發(fā)酵產(chǎn)率，并降低滲透汽化分離過程的膜污染，使得下游的 滲透汽化技術(shù)在整個生產(chǎn)過程中更加穩(wěn)定。


圖1是生物質(zhì)發(fā)酵-滲透汽化耦合分離乙醇的工藝流程示意圖；其中1是發(fā)酵罐，2是過濾網(wǎng)式分離器，4是儲蓄罐，3,5是閥門，6是輸料泵，7是膜 及膜組件，8是冷凝系統(tǒng)，9是真空泵，A是清液，B是儲蓄罐4中的清液，C 是滲透組份，D是滲余液。
具體實施方式
實施例1秸稈經(jīng)蒸氣爆破處理、酶水解后制成料漿進入發(fā)酵罐i中，在3crc溫度下微生物發(fā)酵30h后，當(dāng)罐內(nèi)液相中乙醇體積濃度經(jīng)檢測達到3%時，開啟真空泵9， 控制閥3和5，發(fā)酵罐中的清液經(jīng)片式無機分離膜分離器進入儲蓄罐4，儲蓄罐 4的清液經(jīng)輸料泵6輸送進滲透汽化分離器，將真空度維持在500Pa，清液內(nèi)的 乙醇連續(xù)進入管式聚二甲基硅氧垸/陶瓷復(fù)合滲透汽化膜并汽化進入冷卻器8被 收集，收集所得的乙醇濃度達35v。/。。 實施例2玉米經(jīng)酸處理、酶水解后制成料漿進入發(fā)酵罐1中，在4(TC溫度下微生物 發(fā)酵46h后，當(dāng)罐內(nèi)液相中乙醇體積濃度達到8%，此時開啟真空泵9，控制閥3 和5，發(fā)酵罐中的清液經(jīng)沙鋼板過濾網(wǎng)式分離器進入儲蓄罐4，儲蓄罐4的清液 經(jīng)輸料泵6輸送進滲透汽化分離器，將真空度維持在200Pa，清液內(nèi)的乙醇連續(xù) 進入進入管式MFI系列分子篩滲透汽化膜并汽化進入冷卻器8被收集，收集所 得的乙醇濃度達69v%。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)酵和滲透汽化耦合生產(chǎn)乙醇的工藝，其特征在于預(yù)處理過的生物質(zhì)在微生物作用下在發(fā)酵罐中發(fā)酵產(chǎn)生乙醇，當(dāng)發(fā)酵一定時間后罐中乙醇體積濃度達到1-25％時，在真空系統(tǒng)的作用下，發(fā)酵罐中的清液經(jīng)發(fā)酵罐底部的過濾網(wǎng)式分離器過濾后被輸送到儲蓄罐中，通過輸送泵將清液輸送到滲透汽化膜分離器，滲透汽化膜分離器在真空系統(tǒng)的作用下，清液中已發(fā)酵制得的乙醇被吸附到滲透汽化膜分離器中的復(fù)合膜表面并溶解，然后擴散通過膜進入滲透汽化膜的滲透側(cè)后被冷凝器收集得到濃縮的乙醇。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于發(fā)酵罐底部的過濾網(wǎng)式分離器由過 濾介質(zhì)和起支撐作用的固定部件組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于過濾介質(zhì)為片式無機分離膜、沙鋼 板、不銹鋼濾網(wǎng)或燒結(jié)的多孔合金板；無機分離膜的材質(zhì)為莫來石、A1203、 Zr02 或加2。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于滲透汽化膜分離器由膜組件和復(fù)合 膜組成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的工藝，其特征在于復(fù)合膜是由支撐體和沉積于支撐體 表面的對乙醇具有親和力的活性層組成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的工藝，其特征是采用的支撐體的材料至少為無機的莫 來石、A1203、 Zr02、 Ti02或Si02中的一種；或者是有機的聚砜、聚丙烯腈或纖維素。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的工藝，其特征在于所述的對乙醇具有親和力的活性層 的膜材料為硅橡膠、聚三甲基硅丙炔、聚丙烯、聚丁二烯、聚偏氟乙烯、聚四氟 乙烯或其衍生物、丁苯橡膠、丁腈橡膠或分子篩。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于所述的復(fù)合膜為管式、巻式、平板 或中空纖維膜；管式為外膜或內(nèi)膜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征是過濾和滲透汽化過程采用同一個真空 系統(tǒng)；過濾時的壓力為50-500Pa;滲透汽化時的壓力為50-500Pa。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種發(fā)酵和滲透汽化耦合生產(chǎn)乙醇的分離工藝。其特征在于將發(fā)酵罐中的固懸物與液體部分分開，液體部分通過泵輸送到滲透汽化膜分離器，并通過滲余液的循環(huán)來降低發(fā)酵罐底部的堵塞。改進后的發(fā)酵工藝更加適合和滲透汽化技術(shù)的銜接，增加了二者之間的匹配程度，使得下游的滲透汽化技術(shù)整個生產(chǎn)工藝中更加的穩(wěn)定。本發(fā)明通過新的工藝流程，不僅降低了染菌的可能性，而且降低下游滲透汽化分離過程的膜污染，為提高發(fā)酵產(chǎn)率，連續(xù)進行發(fā)酵過程奠定了工業(yè)基礎(chǔ)。本方法的突出特點在于成本低廉，操作簡便，具有工業(yè)化前景。
文檔編號C12P7/06GK101235389SQ20081002035
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月4日
發(fā)明者旺 衛(wèi), 徐南平, 相里粉娟, 金萬勤 申請人:南京工業(yè)大學(xué)