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甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN200910082742.2

申請日:

20090428

公開號:

CN101875948B

公開日:

20120829

當前法律狀態:

有效性:

失效

法律詳情:

IPC分類號:

C12P7/06,C12N11/04,C12M1/09,C10L1/02,C12R1/645

主分類號:

C12P7/06,C12N11/04,C12M1/09,C10L1/02,C12R1/645

申請人:

楊永福,楊戈

發明人:

楊永福,楊戈

地址:

100025 北京市朝陽區紅領巾公園路6號院1號樓605室

優先權:

CN200910082742A

專利代理機構:

北京科龍寰宇知識產權代理有限責任公司

代理人:

孫皓晨;費碧華

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內容摘要

一種用甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇的方法及裝置,采用了莖稈前處理、汁液調制、固定化酵母粒子、流態化快速發酵新工藝制備得到燃料乙醇。本發明的發酵工藝連續、設備先進、發酵速度快、反應充分、產量高、乙醇得率高,且沒有三廢排出,全部二次利用,減少了大量投資、人工成本以及原材料成本,其經濟效益明顯提高,生產成本大為降低。

權利要求書

1.一種采用甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇的方法,其主要包括榨汁、添加發酵酵母、發酵、蒸餾及脫水,其特征在于:所述發酵酵母是以固定化酵母粒子的形式加入發酵過程中,所述固定化酵母粒子是在榨汁得到的汁液中加入滅菌后的海藻酸鈉溶液和酵母溶液,攪拌制成混合液,所述混合液做勻速旋轉運動后滴入CaCl溶液中以生成海藻酸鈉粒子,即得到固定化酵母粒子;進一步,在發酵開始階段,將清新空氣送進發生器,同時把固定化酵母粒子和發酵汁液送進發生器,采用壓縮空氣攪動酵母粒子和發酵汁液上下翻動,發酵代謝產生大量的乙醇和二氧化碳氣體,并放出熱量,二氧化碳氣體所帶的醪液經冷卻后經氣液分離,醪液進入貯醪箱,氣體進入壓縮機送進發生器,由二氧化碳氣體代替空氣作為發生器發酵反應的氣體動力,不斷的循環,在發酵體內部形成良好的流體化發酵反應;所述榨汁步驟之前進一步包括前處理步驟,是去除甜高粱莖稈上的枝、葉及包裹在莖稈上的外鞘,再進行清洗的處理;所述榨汁步驟之后進一步包括汁液調制步驟,是對汁液進行酸化、稀釋、添加營養鹽三個工藝調制;所述酸化是將稀鹽酸直接加入到原汁液中,測汁液的pH值使其達到4-4.5;所述稀釋是將濃度為74-80%的原汁液,加水稀釋到25%;所述添加營養鹽是將氮素和鎂鹽加入稀釋好的汁液中攪勻,氮素加入量為汁液中糖含量的0.15%-0.18%,鎂鹽加入量為汁液中糖含量的0.05%-0.06%,所述糖含量為汁液總質量的25%。2.一種采用甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇的裝置,其包括榨汁機、汁液儲存裝置、固定酵母流態化發酵成醪發生裝置、雙塔蒸餾裝置和分子篩選脫水系統,其特征在于:所述固定酵母流態化發酵成醪發生裝置包括發酵汁液貯存器、發生器以及貯醪箱,所述的發酵汁液貯存器設有一個發酵汁液輸入管道,并通過一個第一醪液泵和一根第一醪液輸送管道連通到所述的發生器,所述的發生器的上部設有成熟醪液溢流口,所述的成熟醪液溢流口通過一根成熟醪液輸出管道連通至所述的貯醪箱;所述的發酵汁液貯存器還通過一個第二醪液泵和一根第二醪液輸送管道連通到一個固定酵母造粒器,所述的固定酵母造粒器再通過一根酵母粒子輸送管道連通至所述的發生器;?在發生器上方密封連接有一個汽泡捕捉器,所述的汽泡捕捉器通過一根二氧化碳冷凝排出管道連通至一個氣液分離器,所述的氣液分離器的液體輸出端連通至所述的貯醪箱,所述的氣液分離器的氣體輸出端與一個二氧化碳凈化器連接,所述的二氧化碳凈化器再通過一個氣體壓縮機連通至一個穩壓貯氣室,所述的穩壓貯氣室設有一個連通到所述的發生器的底部的壓縮氣體輸入口;所述的發生器的內壁設置成圓筒形狀,所述的醪液輸送管道進入所述的發生器的入射方向平行于發生器內壁的切面方向;所述的穩壓貯氣室的壓縮氣體輸入口進入所述的發生器的入射方向平行于發生器的中軸線方向。3.根據權利要求2所述的采用甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇的裝置,其特征在于:在所述的氣體壓縮機的輸入口處連接一根空氣輸入管道,在所述的空氣輸入管道上設置一個空氣凈化器。4.根據權利要求2所述的采用甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇的裝置,其特征在于:在所述的汽泡捕捉器、醪液輸送管道、穩壓貯氣室中分別設置一個流量控制閥,所述的汽泡捕捉器、醪液輸送管道以及穩壓貯氣室中的流量控制閥分別電連接到一個溫控器,所述的溫控器電連接有能夠測量發生器內部醪液溫度的溫度檢測元件,且所述的溫控器還電連接到所述的氣體壓縮機的控制電路。?

說明書

技術領域

本發明涉及一種利用農作物莖稈汁液制取燃料乙醇的方法,特別涉及一種利用甜高粱莖稈汁液制取燃料乙醇的方法。

背景技術

燃料乙醇是指可作為燃料使用的無水乙醇,燃料乙醇加變性劑,就成為變性燃料乙醇,變性燃料乙醇和汽油經一定比例混配成為車用乙醇汽油,是一種替代和節約汽油的最佳燃料,它具有廉價、清潔、環保、安全、可再生等優點。生產燃料乙醇就是為車用乙醇汽油提供原料。

甜高粱又稱糖高梁,是普通粒用高梁(sorghum?bicolor(L.)Moench)的一個變種,其特點是生長速度快,莖稈汁液豐富,含糖量高,且具有高抗逆性,抗旱、抗澇、耐鹽堿、耐瘠薄,適合我國干旱半干旱地區種植。

美國是世界上開發利用燃料乙醇較早的國家之一,燃料乙醇生產有近百年的歷史,1908年正式用于汽車燃料。巴西政府于1975年制定燃料乙醇行動計劃,并大力推廣應用于汽車燃料。我國政府于2001年啟動了“十五酒精能源計劃”并制定了國家標準。建立了幾個以玉米小麥成化糧為原料生產燃料乙醇的企業。用甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇,在我國是一個新的技術領域,是不與人爭糧不與糧爭地,即解決能源危機、環境污染問題,又解決糧食安全問題。

用甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇的工藝,就是在用甜高粱莖稈汁液生產乙醇工藝后再加一個脫水工藝而成。在以往,用甜高粱莖稈汁液生產乙醇的工藝有許多缺點:1.榨汁粗放導致出液率低;2.對汁液不做調制導致乙醇得率低;3.發酵酵母以液體(酵母活化液)形態,加入發酵過程,導致酵母與汁液接觸面積小反應緩慢,而且酵母代謝生命短損失大。4.發酵工藝分三段進行(初期、中期、后期),導致發酵速度慢、產量低,乙醇得率低。

發明內容

克服了以往工藝存在的所有缺點,本發明的目的在于提供一種采用了莖稈前處理、汁液調制、固定化酵母粒子、流態化快速發酵新工藝。

為達到上述目的,本發明采用如下技術方案:

本發明提供一種采用甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇的方法,其包括如下步驟:榨汁、添加發酵酵母、發酵、蒸餾及脫水。其中,所述發酵酵母是以固定化酵母粒子的形式加入發酵過程中,所述固定化酵母粒子是在榨汁得到的汁液中加入滅菌后的海藻酸鈉溶液和酵母溶液攪拌制成混合液,所述混合液做勻速旋轉運動后滴入CaCl2溶液中以生成海藻酸鈉粒子,即得到固定化酵母粒子;其中,所述海藻酸鈉溶液的粘度優選為:高粘度500-1000mpa·s(毫帕·秒),酵母溶液濃度優選為:22-25%(質量百分比);所述CaCl2溶液濃度優選為:74%(質量百分比),溫度優選控制在20℃。

進一步,在發酵開始階段,將清新空氣送進發生器,同時把固定化酵母離子和發酵汁液送進發生器,采用壓縮空氣攪動酵母粒子和發酵汁液上下翻動,發酵代謝產生大量的乙醇和二氧化碳氣體,并放出熱量,二氧化碳氣體所帶的醪液經冷卻后經氣液分離,醪液進入貯醪箱,氣體進入壓縮機送進發生器,由二氧化碳氣體代替空氣作為發生器發酵反應的氣體動力,不斷的循環,在發酵體內部形成良好的流體化發酵反應。

優選的,所述方法包括榨汁前處理的步驟,是去除甜高粱莖稈上的枝、葉及包裹在莖稈上的外鞘,再進行清洗的處理。

所述榨汁是將預處理后的甜高梁莖稈進行榨汁處理,使其液渣分離得到清潔的汁液。

所述榨汁步驟之后進一步包括汁液調制步驟,是對清潔的汁液進行酸化、稀釋、添加營養鹽三個工藝調制。所述酸化是將稀鹽酸直接加入到原汁液中,測汁液的pH值使其達到4-4.5為佳;所述稀釋是將濃度為74-80%(質量百分比)的原汁液,加水稀釋到25%(體積百分比)為最佳;所述添加營養鹽將氮素和鎂鹽加入稀釋好的汁液中攪勻,氮素加入量為汁液中糖含量的0.15%-0.18%,鎂鹽加入量為汁液中糖含量的0.05%-0.06%,所述糖含量為汁液總質量的25%。所述氮素例如但不限于為(NH4)2SO4或其他常用氮素,鎂鹽例如但不限于為MgSO4或其他常用鎂鹽。

所述蒸餾是將發酵后的醪液蒸餾得到體積百分比為95%的乙醇,之后將上述所得乙醇脫水處理得到燃料乙醇。

本發明還提供一種采用甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇的裝置,包括榨汁機、汁液儲存裝置、固定酵母流態化發酵成醪發生裝置、雙塔蒸餾裝置和分子篩選脫水系統。其中,所述固定酵母流態化發酵成醪發生裝置,包括發酵汁液貯存器、發生器以及貯醪箱,所述的發酵汁液貯存器設有一個發酵汁液輸入管道,并通過一個第一醪液泵和一根第一醪液輸送管道連通到所述的發生器,所述的發生器的上部設有成熟醪液溢流口,所述的成熟醪液溢流口通過一根成熟醪液輸出管道連通至所述的貯醪箱;所述的發酵汁液貯存器還通過一個第二醪液泵和一根第二醪液輸送管道連通到一個固定酵母造粒器,所述的固定酵母造粒器再通過一根酵母粒子輸送管道連通至所述的發生器。

較佳的技術方案中,在發生器上方密封連接有一個汽泡捕捉器,所述的汽泡捕捉器通過一根二氧化碳冷凝排出管道連通至一個氣液分離器,所述的氣液分離器的液體輸出端連通至所述的貯醪箱,所述的氣液分離器的氣體輸出端與一個二氧化碳凈化器連接,所述的二氧化碳凈化器再通過一個氣體壓縮機連通至一個穩壓貯氣室,所述的穩壓貯氣室設有一個連通到所述的發生器的底部的壓縮氣體輸入口。

本發明采用甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇的方法具有以下優點:

1.對甜高粱莖稈進行預處理,提高出液率;

2.對榨汁得到的汁液進行特殊的調制,提高乙醇得率;

3.發酵酵母以固定化酵母粒子形式與汁液充分接觸,使得反應激烈、迅速、充分;

4.采用了固定酵母流態化成醪發生器的發酵工藝連續、發酵速度快、產量高,乙醇得率高;

5.本發明采用的新工藝最大的特點是沒有三廢排出,全部二次利用:

廢水:莖稈前處理產生的廢水,經沉淀處理后又循環利用了。其他工藝過程中產生的廢液都排入沼氣池充分利用。沼氣池中產生的廢沉淀物可做肥料肥田使用;

廢氣:發酵過程中產生的CO2,經發生器的氣泡捕捉器、冷凝排管、CO2凈化器、氣體壓縮機處理后又送回到發生器做流態化發酵的氣體動力之用;

廢渣:莖稈前處理產生的廢枝、葉、鞘及榨汁過程產生的大量廢渣都是制作飼料的好原料加以充分利用。

本發明固定酵母流態化發酵成醪發生裝置的特點是:

1.發酵速度快。由于用了固定化粒子流態化發酵工藝,擴大了酵母和糖化醪的接觸面積和接觸次數,加快了酵母菌體對糖液的分解代謝,從新料進入發生器,到成熟醪從溢流口輸出,只需要2小時,比三段式發酵工藝提高10倍之多。

2.自動化程度高、設備占地面積小、省資源、省人力。從原料輸入、換氣到溫控都采用數字控制技術,控制準確快速,不浪費原料,不浪費時間。

3.酒精轉化率高。從換氣開始發酵全過程都在厭氧封閉的環境下進行的,很少有污染,酒精轉化率達90%以上。

附圖說明

圖1為本發明實施例中甜高粱莖稈汁液生產燃料乙醇的流程圖;

圖2是本發明的固定酵母流態化發酵成醪發生裝置的結構示意圖;

圖3是汽泡捕捉器的擋板的平面結構示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步說明,應該理解的是,這些實施例僅用于例證的目的,決不限制本發明的保護范圍。

特舉一實施例來說明本發明方法的具體步驟,其流程如圖1所示。

1.榨汁前處理:將甜高粱在其莖稈糖分累計較高時節收獲,采收后取其莖稈,對莖稈進行去除莖稈上的枝、葉及包裹在莖稈上的外鞘,再進行清洗的處理。清洗廢水經沉淀后再循環利用,其廢渣排入沼氣池利用。

2.榨汁:將預處理后的甜高梁莖稈進行常規榨汁處理,之后可經過常規的沉淀過渡使其液渣分離,得到清潔的汁液。

3.汁液調制:對壓榨得到的汁液進行酸化、稀釋、添加營養鹽三個工藝調制,對制造酵母粒子和進行發酵工藝都很有益處。

a.酸化處理:酸化的目的一是為原汁殺菌,二是為酵母生長繁殖創造合適的環境(pH=4-4.5)。其方法是將稀鹽酸直接加入到原汁液中,測汁液的pH值使其達到4-4.5為佳;

b.稀釋處理:將濃度為74-80%(質量百分比)的原汁液,加水稀釋到25%(體積百分比)為最佳,此濃度是酵母繁殖生長的最佳濃度;

c.添加營養鹽:酵母在不同糖液中繁殖生長要求不同的營養成分,在甜高粱糖汁液中需要增加氮素和鎂鹽。其方法是將氮素和鎂鹽加入稀釋好的汁液中攪勻,其使用量:氮素為汁液中糖含量的0.15%-0.18%;鎂鹽為汁液中糖含量的0.05%-0.06%,所述糖含量為汁液總質量的25%;所述氮素為(NH4)2SO4,鎂鹽為MgSO4。

4.發酵:本發明的發酵過程在固定酵母流態化發酵成醪發生裝置中進行,結合圖2所示,其主要包括發酵汁液貯存器1、發生器20以及貯醪箱14,所述的發酵汁液貯存器1設有一個發酵汁液輸入管道19,以供發酵汁液進入發酵汁液貯存器1中,所述的發酵汁液貯存器1又通過一個第一醪液泵B和一根第一醪液輸送管道5連通到所述的發生器20,所述的發生器20的上部設有成熟醪液溢流口4,下部設有發酵廢液排出口10,所述的成熟醪液溢流口4通過一根成熟醪液輸出管道17連通至所述的貯醪箱14。

與現有技術不同,本發明是使用固定化酵母粒子來實現發酵過程。如圖2所示,所述的發酵汁液貯存器1還通過一個第二醪液泵A和一根第二醪液輸送管道5’連通到一個固定酵母造粒器2,所述的固定酵母造粒器2再通過一根酵母粒子輸送管道6連通至所述的發生器20。所述的固定酵母造粒器2是現有技術,是在由發酵汁液貯存器1內輸送過來的汁液中加入滅菌后的海藻酸鈉溶液(高粘度500-1000mpa·s)和酵母溶液(質量百分比為22-25%),并攪拌制成混合液,再將混合液連續輸入到桶式離子甩盤內,做勻速旋轉運動,由于混合液體的粘性,使液體沿盤邊緣處以一定線速度,斷續飛離甩盤,順著桶壁落入下部的質量百分比為74%的CaCl2溶液(20℃)中,很快反應生成海藻酸鈉粒子,即固定化酵母粒子。

所述的發酵汁液以及固定化酵母粒子一進入發生器20內相互接觸,發酵就開始了,發酵過程產生大量的乙醇和二氧化碳氣體,并放出熱量。二氧化碳氣體與熱量不斷聚集,導致發生器20內壓力和溫度逐漸上升。當發生器20內的壓力達到一定值以后,二氧化碳氣體將帶著成熟醪液的蒸汽進入密封連接在發生器20上方的汽泡捕捉器3內,所述的汽泡捕捉器3內具有一個擋板7,擋板7上開設有多數個細孔71(如圖3所示),以供氣體通過,并將液體與固定殘渣隔離在外。所述的汽泡捕捉器3再通過一根二氧化碳冷凝排出管道18連通至一個氣液分離器15,成熟醪液在氣液分離器15內被分離出來,從所述的氣液分離器15的液體輸出端進入所述的貯醪箱14內被收集,而二氧化碳氣體從所述的氣液分離器15的氣體輸出端中分離出來,進入一個二氧化碳凈化器13。經過凈化后的二氧化碳氣體再經過一個氣體壓縮機11的加壓,進入一個穩壓貯氣室9內,當穩壓貯氣室9內壓力達到設定值后,即可通過一個壓縮氣體輸入口8再次進入所述的發生器20的底部。進入發生器20底部的二氧化碳氣體在浮力作用下上升,帶動發生器20內的醪液一同上升,起到攪拌醪液的作用。如此,第一醪液泵B不停地將發酵汁液泵入發生器20中,固定化酵母粒子也從所述的酵母粒子輸送管道6持續進入發生器20內,而成熟醪液也持續地從成熟醪液輸出管道17以及氣液分離器15的液體輸出端進入貯醪箱14內被收集,說明本發明可以達到持續量產。

其中,為了使發酵汁液能夠與固定化酵母粒子充分接觸,本發明將所述的發生器20的內壁設置成圓筒形狀,而所述的醪液輸送管道進入所述的發生器20的入射方向平行于發生器20內壁的切面方向,使得入射的醪液可以沿著圓筒形狀的發生器20內壁作圓周運動。而所述的穩壓貯氣室9的壓縮氣體輸入口8進入所述的發生器20的入射方向平行于發生器20的中軸線方向入射,帶動發酵汁液和固定化酵母粒子沿軸線方向上升。這時,發生器20內切向的流體速度與沿軸向的流體速度矢量疊加呈螺旋上升的運動,周而復始不斷運動,在運動過程中帶動成熟醪液不斷上浮聚集于成熟醪液溢流口4處而外溢,不斷送入貯醪箱14中。

需要補充的是,在本發明的發生裝置的啟動階段,還沒有足夠的二氧化碳氣體產生以供攪拌發生器20中的醪液,就需要在所述的氣體壓縮機11的輸入口處連接一根空氣輸入管道21,然后在所述的空氣輸入管道21上設置一個空氣凈化器12,凈化后的空氣從所述的氣體壓縮機11壓入所述的穩壓貯氣室9中,壓力達到設定值后,空氣即通過所述的壓縮氣體輸入口8進入所述的發生器20的底部,以達到攪拌醪液的目的。而一旦發生器20內產生二氧化碳氣體通過所述的二氧化碳凈化器13后進入所述的氣體壓縮機11的輸入口,則所述的空氣輸入管道21自動關閉,由CO2代替空氣做攪拌動力和發酵動力,具體體現在:

a.帶動發酵液沿軸線上升,可調節發酵液的流體速度,控制發酵液和酵母粒子的進入量。

b.帶動發酵液沿發生器壁的切向按一定速度做圓周運動。由切向的流體速度和豎直方向上的流體速度的矢量疊加,使發酵液呈螺旋上升的運動。

c.二氧化碳氣體可在固定酵母粒子表面形成氣膜,產生浮力加入到發酵液的螺旋運動之中,到頂部氣膜破滅,粒子就沿發生器壁下沉至底部,又被氣體包圍形成氣膜上升運動,不斷的循環,在發酵體內部形成良好的流體化發酵反應。

另外,本發明所述的發生裝置還設置有能夠控制發生器20內部醪液溫度的溫控器16,所述的溫控器16電連接有能夠測量發生器20內部醪液溫度的溫度檢測元件(未予圖示)。在所述的汽泡捕捉器3、醪液輸送管道、穩壓貯氣室9中分別設置一個流量控制閥(未予圖示),然后將所述的溫控器16分別與所述的汽泡捕捉器3、醪液輸送管道以及穩壓貯氣室9中的流量控制閥電連接,再將所述的溫控器16電連接到所述的氣體壓縮機11的控制電路(未予圖示),就可以對發生器20內部醪液溫度進行控制了。例如,一般設定控制溫度在33℃~34℃之間,當溫度高于34℃時,溫控器16將降低醪液輸送管道的輸送速度,并提高汽泡捕捉器3的輸出速度和氣體壓縮機11以及穩壓貯氣室9的輸送速度,使冷的二氧化碳氣體快速進入發生器20內降溫;當溫度低于33℃時,則反方向控制,以使溫度始終保持在33℃~34℃之間。

5.蒸餾:采用傳統的雙塔蒸餾方法。即用水泵將發酵成醪液泵入液體蒸餾塔中,再打開蒸汽閥門加汽蒸餾,同時打開冷凝器的冷卻水系統閥門(冷卻水保持在35℃以下,如高于35℃影響乙醇氣體質量)即得到濃度為95%(體積百分比)以上的乙醇氣體。

6.脫水:采用傳統的分子篩選脫水方法。即在蒸餾系統后面直接連接分子篩選脫水系統,將來自精餾塔95%(體積百分比)以上的乙醇氣體,通過再浮器加熱后進入分子篩塔脫水得到99.8%(質量百分比)的無水乙醇(燃料乙醇)。

7.副產品及其利用:

蒸餾出乙醇后的廢液,可以生產沼氣,回用于蒸餾系統用做燃氣。

本發明的副產品蒸餾后的莖稈渣可以用做牛、羊飼料、生產纖維板、生產紙漿等,用處十分廣泛。

以上說明對本發明而言只是說明性的,而非限制性的,本領域普通技術人員理解,在不脫離權利要求所限定的精神和范圍的情況下,可作出許多修改、變化或等效,但都將落入本發明的保護范圍之內。

關 鍵 詞:
高粱 汁液 生產 燃料 乙醇 方法
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