一種具備自控系統的連續固態發酵制取乙醇的裝置及工藝的制作方法
【專利摘要】本發明屬于微生物發酵生產燃料乙醇的【技術領域】。具體涉及一種生產燃料乙醇具備自控系統的連續固態發酵裝置及工藝。所述工藝主要包括菌種添加和連續固態發酵兩個步驟，即在粉碎物料進入連續固態發酵罐時向粉碎原料中添加發酵菌種，然后將上述混菌原料在連續固態發酵罐中進行發酵，使可發酵糖轉化為乙醇。本發明采用連續固態發酵，可以充分利用秸稈中的可發酵糖分，避免了防腐劑的使用，節約了秸稈壓榨所需要的高能耗，降低了大量無水的排放，提高了生產效率、節約了生產成本產率；采用自控連續固態發酵裝置，改變了傳統生產方式，真正實現了固態發酵工藝的連續化、自動化；發酵罐體回轉速度、布料板角度可調，加強了生產的可調可控性。
【專利說明】—種具備自控系統的連續固態發酵制取乙醇的裝置及工藝
【技術領域】
[0001]本發明屬于微生物發酵生產燃料乙醇的【技術領域】。具體涉及一種生產燃料乙醇的固態發酵裝置及工藝，特別是一種基于糖質原料制取燃料乙醇的自控連續固體發酵裝置及工藝。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展，化石資源已漸趨枯竭，世界各國開始致力于研究可再生能源物質，而可替代石油燃料的綠色新能源——燃料乙醇受到了國內外的廣泛關注。因其燃燒特性與汽油非常接近，可以按一定比例與汽油混合使用，也可以直接作為燃料使用，極大減少了有害氣體的排放，具有廣闊的發展空間。
[0003]由于世界人口急劇增多，為保證糧食供應，逐漸有國家出臺限制糧食作物制乙醇的政策，因此非糧作物生產乙醇將會成為發展趨勢。甜高粱以其抗旱、耐鹽堿、適應力強、莖桿含糖量高等特性，成為此類非糧作物的優選對象。
[0004]甜高粱秸桿生產乙醇主要有液態和固態發酵兩種方式。液態發酵是將新鮮甜高粱秸桿壓榨取汁，對汁液進行發酵，但貯存汁液時需要加入防腐劑，對發酵酵母菌不利，而壓榨后的固體物料中還殘留一定量的糖分，這些都將造成乙醇產率降低；固態發酵是將甜高粱秸桿粉碎后直接進行發酵，降低了原料預處理的強度，避免了防腐劑的使用，減少了糖損失，能從根本上克服液態發酵的不足。
[0005]但目前的固態發酵技術大多數還沿用傳統制酒工藝，在固定的發酵池或發酵罐內進行，屬于間歇操作，酒氣易揮發，生產效率低。而粉碎秸桿類物料具有相互纏繞的特點，很難實現連續流動，其運動的不確定性也給監測帶來困難。因此，開發新型設備，降低成本和能耗，提高乙醇產率，并實現固態發酵連續化是發展生物質發酵制取燃料乙醇工業的當務之急。
[0006]在中國專利申請公布CN 102071222A中，本發明的發明人公開了一種制取燃料乙醇的連續固態發酵裝置及工藝。其中的連續發酵是通過如下步驟實現的:
[0007](a)菌種添加:在粉碎物料進入連續固態發酵罐體前向發酵原料中添加發酵菌種；發酵菌種接種量為5%~20% (V/W)；
[0008](b)連續固態發酵:將上述混合后的發酵料在連續固態發酵罐中進行連續發酵，發酵時間30h
[0009]，連續固態發酵罐體回轉速度控制在0.03~0.4rpm,連續固態發酵罐體內的溫度保持在25~40°C，使可發酵糖轉化為乙醇。
[0010]在中國專利申請公布CN 102071222A中公開的制取燃料乙醇的自控連續固態發酵裝置的技術方案為:送料器與密閉料倉相連，密閉料倉上設置有料位計、菌液噴淋管，其出口處安裝雙輥下料機；所述雙輥下料機的出口與進料螺旋送料器連接，進料螺旋送料器伸入進料密封倉內并固定，進`料密封倉與連續固態發酵罐體之間采用機械密封；連續固態發酵罐體設有沿軸線向出口方向傾斜的傾角，罐體外壁上固定有齒圈，變速機驅動裝置與齒圈嚙合，驅動連續固態發酵罐體在托輪的支承下回轉；所述連續固態發酵罐體的出口處與出料密封倉連接，所述出料密封倉上設置排氣口，并安裝有呼吸閥，出料密封倉與連續固態發酵罐體之間采用機械密封。在出料密封倉的出口處安裝閘板閥，并通過閘門閥與后續設備密封連接。
[0011]所述連續固態發酵罐體的內壁安裝若干組抄板，每組抄板數量為6-10個，安裝角度可調；同組抄板等間距分布在同一截面上，不同截面的抄板交錯排列，以改變物料攪拌程度和調控物料流動速度。
[0012]所述雙輥下料機與密閉料倉之間采用物料堆積密封，所述出料密封倉與閘板閥之間采用發酵料密封。
[0013]所述裝置各管口、連接部位，及其與前后其他設備連接處都采用密封連接，并與發酵罐體的回轉運動相適應，保證運行全過程的密封效果。
[0014]所述連續固態發酵罐體的轉速在0.03~0.4rpm之間可調。
[0015]但是上述用于連續發酵的裝置和工藝仍存在一些缺陷，例如:1.由于粉碎后的秸桿顆粒較大，用常規的送料器進料時經常會堵塞進料口，需要經常疏通，從而影響生產效率；2.經過發酵后的秸桿交織纏連在一起，會堵塞出料口，同樣會影響生產效率；3.由于在發酵中會產生熱量，使得發酵罐內溫度不斷升高，當超出菌種的適宜溫度區間時會影響發酵效率；4.所用菌液由于培養基比較昂貴，因此菌種生產成本較高，加入菌種時的使用濃度偏低，發酵效率不夠理想等；5.發酵裝置沒有自控調節，亦影響正常生產。
[0016]因此，本領域中仍需要能夠實現自控連續固體發酵的裝置和工藝。以解決當前甜高粱秸桿制乙醇過程中液態發酵原料預處理成本高、固態發酵生產效率低以及連續化困難的問題。

【發明內容】

[0017]為解決上述技術問題，本發明`針對物料流動特性，結合發酵工藝操作特點，提供了一種用于制取燃料乙醇的自控連續固態發酵裝置及工藝，實現甜高粱秸桿制燃料乙醇的連
續化生產。
[0018]在本發明的第一方面，提供了一種制取燃料乙醇的自控連續固態發酵裝置，所述裝置包括:送料器(101)、進料螺旋送料器(102)、菌液噴淋管(103)、進料密封倉(109)、發酵罐體(105)、出料螺旋送料器(114)，其特征在于:送料器(101)的出口與進料螺旋送料器(102)連接，進料螺旋送料器(102)上設有菌液噴淋管(103)，進料螺旋送料器(102)伸入進料密封倉(109)內并固定，進料密封倉(109)與連續固態發酵罐體(105)之間采用機械密封；連續固態發酵罐體(105)設有沿軸線向出口方向傾斜的傾角，罐體外壁上固定有齒圈(106)，變速機驅動裝置(112)與齒圈(106)嚙合，驅動連續固態發酵罐體(105)在托輪(110)的支承下回轉轉速在0.03~0.4rpm之間可調。連續固態發酵罐體(105)的內壁安裝若干組布料板，安裝角度可調，用以改變物料的攪拌程度和調控物料流動速度；同組布料板等間距分布在同一截面上，不同截面的布料板交錯排列，以改變物料攪拌程度和調控物料流動速度。所述連續固態發酵罐體(105)的出口處與出料螺旋送料器(114)相連接，所述出料螺旋送料器(114)上設置排氣口( 107)，并安裝有呼吸閥(108)，所述出料螺旋送料器(114)與連續固態發酵罐體(105)之間采用機械密封，并與后續設備密封連接。[0019]在本發明的一個實施方案中，所述發酵罐體(105 )與水平面的傾角為I~5 °，進
料口一端高于出料口一端。
[0020]在本發明的一個實施方案中，所述發酵罐體(105)外部安裝有多個測溫口形成測溫口組(111)，以監測發酵罐內的溫度。
[0021]在本發明的一個實施方案中，所述連續固態發酵罐體(105)的內壁安裝有若干組布料板，每組布料板數量為(1-5) XD (D為發酵罐直徑，單位為m)個；；同組布料板等間距分布在同一截面上，不同截面的布料板交錯排列，以改變物料攪拌程度和調控物料流動速度。
[0022]在本發明的一個實施方案中，所述裝置各管口、連接部位，及其與前后其他設備連接處都采用密封連接，并與發酵罐體的回轉運動相適應，保證運行全過程的密封效果。
[0023]在本發明的一個實施方案中，所述連續固態發酵罐體的轉速在0.03~0.4rpm之間可調。
[0024]在本發明的另一方面，提供了一種用于制取燃料乙醇的連續固態發酵的工藝，包括如下步驟:
[0025](a)菌種添加:在粉碎物料進入連續固態發酵罐體前向發酵原料中添加發酵菌種；發酵菌種接種量為5-20% (V/W);菌種接種濃度為I~9X108/ml;
[0026](b)連續固態發酵:將上述混合后的發酵料在連續固態發酵罐中進行連續發酵，發酵時間24-40h，連續固態發酵罐體回轉速度控制在0.03~0.4rpm，連續固態發酵罐體內的溫度保持在25~40°C，使可發酵糖轉化為乙醇；
[0027]在本發明的一個實施方案中，所`述步驟(a)的菌種添加過程是在物料進入連續固態發酵罐體前的螺旋送料器中進行。
[0028]在本發明的一個實施方案中，所述步驟(b)中，通過連續固態發酵罐體的自身回轉運動實現物料不斷向出口方向運動。
[0029]在本發明的一個實施方案中，所述發酵所用的菌種為CGMCC1949。
[0030]本發明的連續固體發酵裝置和工藝具有如下有益效果:
[0031](I)連續固態發酵罐進出料口的改進設計以及發酵罐體恰當的傾角與回轉速度的配合使得物料能夠穩定、順暢地運動，真正實現了固態發酵工藝的連續化，省去了人工卸料再運送至下一裝置的步驟，提高了發酵罐利用率，從而有效提高了生產效率，節省了人力并減小勞動強度，進而達到降低能耗和生產成本的目的。
[0032](2)連續發酵是在一密閉系統中進行，物料發酵完成后直接進入下一單元，操作過程無間歇，物料不與空氣接觸，并且排氣口的設計能起到罐內控壓的作用，使之維持微正壓，保證了發酵時菌種所必須的厭氧環境，有益于發酵。
[0033](3)發酵罐內布料板角度可以靈活調整，能夠改變物料攪拌程度和調控物料流動速度，以滿足發酵不同階段散熱量不同的需要，保證發酵正常進行，并對生產起到一定的調控作用。
[0034](4)該裝置能夠通過調節電機轉速來改變發酵罐的回轉速度，使其生產能力在一范圍內可調，進一步實現了生產量的可控性。
[0035](5)采用固態發酵降低了原料的預處理強度，節省了時間和人力；能充分利用甜高粱秸桿中的可發酵糖分，且無防腐劑的使用，減少了糖損失，保證了菌種生長的活性，提高了產品質量和產率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為本發明的自控連續固態發酵裝置的結構示意圖。圖中附圖標記:101-送料器；102-進料螺旋送料器；103-菌液噴淋管；104-蒸汽管口 ； 105-連續固態發酵罐體；106-齒圈;107_排氣口 ;108_呼吸閥;109_進料密封倉;110_托輪;111_測溫口組；112_變速機驅動裝置；113_保溫層；114_出料螺旋送料器。
[0037]圖2為圖1所示的發酵罐體內任一布料板截面的布料板分布示意圖。
【具體實施方式】
[0038]本發明提供了一種制取燃料乙醇的連續固態發酵的裝置及其工藝，以解決當前甜高粱秸桿制乙醇過程中液態發酵原料預處理成本高、固態發酵生產效率低和連續化困難的問題，實現甜高粱秸桿制燃料乙醇的連續化生產。
[0039]在本發明的發酵裝置中，由于取消了進料斗，并在出料口增設出料螺旋送料器，從而避免了下述問題，例如:1.由于粉碎后的秸桿容易交織纏連，用常規的送料器進料時經常會堵塞進料口，需要經常疏通，從而影響生產效率；2.經過發酵后的秸桿其纖維交織在一起，極易堵塞出料口，同樣會影響生產效率。
[0040]此外，在本發明的發酵工藝中使用的菌種為CGMCC1949，這種菌種可以在玉米培養基上良好生長，從而避免了使用傳統的麥芽汁培養基，降低了生產成本，使得菌種的濃度增聞，也進一步提聞了發酵效率。
[0041 ] 下面結合附圖，對本發明做進一步說明。
`[0042]圖1為本發明的自控連續固態發酵裝置的結構示意圖。如圖1所示，送料器101的出口與進料螺旋送料器102連接，進料螺旋送料器102上設有菌液噴淋管103，進料螺旋送料器102伸入進料密封倉109內并固定，進料密封倉109與連續固態發酵罐體105之間采用機械密封；連續固態發酵罐體105設有沿軸線向出口方向傾斜的傾角，罐體外壁上固定有齒圈106，變速機驅動裝置112與齒圈106嚙合，驅動連續固態發酵罐體105在托輪110的支承下回轉轉速在0.03~0.4rpm之間可調。連續固態發酵罐體105的內壁安裝若干組布料板，安裝角度可調，用以改變物料的攪拌程度和調控物料流動速度；同組布料板等間距分布在同一截面上，不同截面的布料板交錯排列，以改變物料攪拌程度和調控物料流動速度。所述連續固態發酵罐體105的出口處與出料螺旋送料器114相連接，所述出料螺旋送料器114上設置排氣口 107，并安裝有呼吸閥108，所述出料螺旋送料器114與連續固態發酵罐體105之間采用機械密封，并與后續設備密封連接。
[0043]在本發明的連續固態發酵罐外側設置有多個測溫口形成測溫口組111，用于監測發酵罐內的溫度，發酵罐內的溫度應保持在25~40°C，當發酵溫度過高時，將啟動外部水噴淋或風冷等方式降溫。如在寒冷地區或季節使用時，可在本發明的連續固態發酵罐外部設置保溫層。這樣保證了發酵溫度的穩定，也實現了溫度自控。
[0044]連續進料前，應從發酵罐上的蒸汽管口通入蒸汽滅菌消毒。發酵時，粉碎后的甜高粱秸桿由送料器101送至進料螺旋送料器102，并與菌液噴淋管103輸入的菌液混合，混合后的物料經螺旋送料器102進入發酵罐體105 ;變速機驅動裝置112與齒圈106嚙合，從而驅動連續固態發酵罐體105在托輪110的支承下以一定的速度運動，甜高粱秸桿物料在自身重力和布料板的作用下沿傾斜的罐體連續的運動至發酵罐出口，然后經出料螺旋送料器114連續排出。物料在流動過程中完成連續發酵，發酵后的物料進入乙醇蒸餾工序。發酵罐外側有可分段拆裝的保溫層113以及水噴淋裝置或風冷裝置，以便根據發酵產熱不同的需要，決定是否對罐體進行保溫或降溫。發酵產生的二氧化碳、乙醇氣連同水蒸氣形成的混合氣體由排氣口 107排出后進入混合氣處理裝置，進行二氧化碳和乙醇氣體的回收。
[0045]圖2為圖1所示的發酵罐體內任一布料板截面的布料板分布示意圖。
[0046]實施例
[0047]實施例1 (連續發酵)
[0048]收割成熟的甜高粱秸桿，以含水量70%，總糖含量11%，還原糖含量7%的甜高粱秸桿為原料，粉碎成直徑I~2mm長度小于30mm的絲狀。同時向螺旋進料送料器中加入CGMCC1949菌種，與粉碎物料混合后在連續固態發酵罐內進行連續發酵。發酵菌接種量為10% (V/W)，調節各操作參數，保持罐內溫度為25~40°C，發酵時間24小時，發酵罐回轉速度為0.25rpm。發酵后測得乙醇收率91.2%，總糖轉化率94.2%。
[0049]實施例2 (連續發酵)
[0050]收割成熟的甜高粱秸桿，以含水量70%，總糖含量12%，還原糖含量8%的甜高粱秸桿為原料，粉碎成直徑I~2mm長度小于30mm的絲狀。同時向螺旋進料送料器中加入CGMCC1949菌種，與粉碎物料混合后在連續固態發酵罐內進行連續發酵。發酵菌接種量為15% (V/W)，調節各操作參數，保持罐內溫度為25~40°C，發酵時間30小時，發酵罐回轉速度為0.lrpm。發酵后測得，乙醇收率92.3%，總糖轉化率96.4%。
【權利要求】
1.一種制取燃料乙醇的自控連續固態發酵裝置，所述裝置包括:送料器(101)、進料螺旋送料器(102)、菌液噴淋管(103)、進料密封倉(109)、發酵罐體(105)、出料螺旋送料器(114)，其特征在于:送料器(101)的出口與進料螺旋送料器(102)的進口連接，進料螺旋送料器(102)上設有菌液噴淋管(103)，進料螺旋送料器(102)伸入進料密封倉(109)內并固定，進料密封倉(109)與連續固態發酵罐體(105)之間采用機械密封；連續固態發酵罐體(105)設有沿軸線向出口方向傾斜的傾角，罐體外壁上固定有齒圈(106)，變速機驅動裝置(112)與齒圈(106)嚙合，驅動連續固態發酵罐體(105)在托輪(110)的支承下回轉，轉速在0.03~0.4rpm之間可調。連續固態發酵罐體(105)的內壁安裝若干組布料板，安裝角度可調，用以改變物料的攪拌程度和調控物料流動速度；同組布料板等間距分布在同一截面上，不同截面的布料板交錯排列，以改變物料攪拌程度和調控物料流動速度。所述連續固態發酵罐體(105)的出口處與出料螺旋送料器(114)相連接，所述出料螺旋送料器(114)上設置排氣口(107)，并安裝有呼吸閥(108)，所述出料螺旋送料器(114)與連續固態發酵罐體(105)之間采用機械密封，并與后續設備密封連接。
2.根據權利要求1所述的制取燃料乙醇的自控連續固態發酵裝置，其特征在于:所述發酵罐體(105)與水平面的傾角為1-5°，進料口端高于出料口端。
3.根據權利要求1所述的制取燃料乙醇的自控連續固態發酵裝置，其特征在于:所述發酵罐體(105)在不同截的面橫穿直徑的管上安裝有多個測溫口形成測溫組(111)，以監測發酵罐內的溫度。
4.根據權利要求1所述的制取燃料乙醇的自控連續固態發酵裝置，其特征在于:所述連續固態發酵罐體(105)的內壁安裝有若干組布料板，每組布料板數量為(1-5) XD (D為發酵罐直徑，單位為m)個；同組布料板等間距分布在同一截面上，不同截面的布料板交錯排列，以改變物料攪拌程度和調控物料流動速度。
5.根據權利要求1所述的制取燃料乙醇的自控連續固態發酵裝置，其特征在于:所述裝置各管口、連接部位，及其與前后其他設備連接處都采用密封連接，并與發酵罐體的回轉運動相適應，保證運行全過程的密封效果。
6.根據權利要求1所述的制取燃料乙醇的自控連續固態發酵裝置，其特征在于:所述連續固態發酵罐體(105)的轉速在0.03~0.4rpm之間可調。
7.一種制取燃料乙醇的連續固態發酵工藝，其特征在于:包含以下步驟: Ca)菌種添加:在粉碎物料進入連續固態發酵罐體前向發酵原料中添加發酵菌種；發酵菌種接種量為5~20% (V/W);菌種接種濃度為I~9X IO8個/ml; (b)連續固態發酵:將上述混菌原料在連續固態發酵罐中進行連續發酵，發酵時間24~30h，連續固態發酵罐體回轉速度控制在0.03~0.4rpm，連續固態發酵罐體內的溫度保持在25~40°C，使可發酵糖轉化為乙醇。
8.根據權利要求7所述的一種制取燃料乙醇的連續固態發酵工藝，其特征在于:所述步驟(a)的菌種添加過程是在物料進入連續固態發酵罐體前的密閉進料螺旋送料器內進行。
9.根據權利要求7所述的一種制取燃料乙醇的連續固態發酵工藝，其特征在于:所述步驟(b)中，通過連續固態發酵罐體的自身回轉運動實現物料的均勻混合并不斷向出口方向運動。
10.根據權利要求7所述的一種利用糖質原料制取燃料乙醇的連續固態發酵工藝，其特征在于:所述發酵所用的菌種為CGMCC1949 。
【文檔編號】C12P7/10GK103509712SQ201310341882
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年8月7日 優先權日:2013年8月7日
【發明者】李十中, 仉磊, 李光明 申請人:清華大學