一種真空發酵與精餾耦合生產燃料乙醇的方法與流程
2023-06-21 09:57:56 1
本發明涉及一種新型的燃料乙醇生產技術領域，特別涉及一種採用真空發酵與精餾耦合製備燃料乙醇的方法。
背景技術：
目前人們所利用的能源主要是以化石能源為主，隨著世界經濟的飛速發展，人類對化石能源的需求日益增加，由於化石能源屬非可再生能源，其儲量隨著開採的進行不斷減少，久而久之化石能源將走向枯竭。燃料乙醇作為一種新型的可再生能源，被認為是汽油的最佳替代品，已成為世界各國學者研究的焦點。
燃料乙醇生產大多採用發酵法，傳統乙醇發酵過程中，隨著發酵液中乙醇的不斷累積，對酵母的抑制作用不斷增強，當乙醇濃度達到一定程度時，酵母就會失去活性，不再產生乙醇，嚴重製約著燃料乙醇生產強度的提高和成本的降低。採用乙醇發酵耦合產物分離的方法可有效解決上述問題。目前乙醇發酵耦合產物分離的方法主要有：
（1）萃取發酵。萃取發酵是通過直接將萃取劑加入發酵液中提取乙醇的方法，由於乙醇在萃取劑中分配係數較大，因而可通過萃取的方法將乙醇從發酵液中提取出來。由於萃取劑直接與菌種接觸，對菌種有較大毒害作用，較難實現工業化；
（2）氣提發酵。氣提發酵是利用發酵產生的CO2為載氣進行循環，將發酵液中的乙醇以蒸汽的形式帶出，使發酵液中乙醇濃度降低，達到消除或降低對菌種抑制作用的目的。由於氣提發酵存在CO2夾帶效率低、操作難度大等缺點，不能滿足工業生產的要求；
（3）吸附發酵。吸附發酵是將吸附劑直接加入發酵液中或讓發酵液循環地通過一個疏水性的分子篩吸附柱，使發酵液中的乙醇得到吸附，從而使發酵液中乙醇濃度保持在較低水平，達到減輕或消除乙醇抑制作用的目的。由於吸附發酵存在操作難度大、工藝複雜、分離成本較高等缺點，難以實現工業化生產。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種節能、環保、高效、乙醇回收率高的燃料乙醇生產方法。
本發明可實現燃料乙醇的連續生產，具有流程短、操作方便、設備投資省、能耗低、乙醇回收率高、產品附加值高等優點。
一種真空發酵與精餾耦合生產燃料乙醇的方法，其特徵在於真空泵設置於發酵罐與緩衝罐之間，具體步驟如下：
（1）將配製好的發酵液加入發酵罐中，各成分含量依次為：葡萄糖50～100 g/L，酵母膏10～20g/L，氯化鈉1～10g/L，磷酸二氫鉀0.1～1g/L，硫酸鎂0.1～1g/L，硫酸銨0.1～1g/L，加料量為發酵罐容積的50～70%；
（2）滅菌：發酵罐滅菌溫度100～120℃，滅菌時間30～60min。滅菌後，發酵罐溫度控制為34～35℃，攪拌轉速為100～600r/min；
（3）接種：待發酵罐溫度和轉速恆定後，接入活化後的安琪乾酵母，接種量為1～10‰；
（4）真空發酵：當發酵液中乙醇濃度達到5～7%時，開啟真空泵4，發酵液上方乙醇蒸汽經真空泵4進入換熱器6，經冷凝後的氣液混合物進入緩衝罐7，罐底液相物料由第30塊塔板進入乙醇精餾塔9，罐頂氣相物料進入乙醇吸收塔8，吸收液（去離子水）由吸收塔頂部自上而下與氣體逆流接觸，塔底吸收液由第35塊塔板進入乙醇精餾塔9；
（5）乙醇脫水：乙醇精餾塔9的塔頂氣相物料經全冷凝後，一部分作為回流，另一部分送往乾燥器12，經分子篩脫水後得到無水乙醇產品。
所述發酵罐為全自控發酵罐，具有滅菌、攪拌、控溫、耐負壓等功能。
所述乙醇精餾塔採用浮閥式、篩板式、填料式，理論塔板數為45～50，塔頂操作壓力為105～120kPa。
所述的乙醇吸收塔所用填料為三角、鮑爾環、拉西環、不鏽鋼θ環等，填料有效高度為1~2m。
所述的真空泵採用無油乾式真空泵，如隔膜式真空泵、羅茨真空泵、螺杆式、渦旋式真空泵等，該泵抽氣口壓力≤100Pa，排氣口壓力≥150kPa。
所述的發酵罐真空度控制在0.01～0.08MPa，壓力由壓控閥5自動控制。
所述的過濾膜3具有過濾菌種、防止染菌的功能。
所述的冷凝器6為列管式、固定管板式、板翹式等換熱器，冷卻介質為15～16℃的水。
本發明的有益效果：
發明提供一種真空發酵與精餾耦合生產燃料乙醇的方法，本方法將真空發酵與精餾、吸收、乾燥等過程進行了有利耦合，最終得到乙醇含量為99.5%～99.9%（V）的燃料乙醇，本發明有效降低了發酵液中乙醇濃度，提高了乙醇產率，有效回收發酵過程產生的乙醇和CO2，具有流程短、操作方便、設備投資省、能耗低、乙醇回收率高、產品附加值高等優點。
附圖說明
圖1為本發明的工藝流程圖。
具體實施方案
實施例1
將配好的發酵液加入發酵罐中，加料量為發酵罐容積的55%；啟動滅菌程序，滅菌溫度105℃，滅菌時間45min；滅菌完畢後，設定發酵罐溫度為34℃，攪拌轉速300r/min；待發酵罐溫度恆定後，稱量質量濃度為3‰的安琪乾酵母，經復水活化15min後，投入發酵罐中開始發酵；發酵至20h，發酵液中乙醇濃達到6.5%，設定壓控閥5真空度為0.08MPa，開啟真空泵4，發酵罐上方含乙醇的蒸汽經真空泵4後進入冷凝器6，經冷凝後的物料進入緩衝罐7，頂部氣相物料由底部進入吸收塔，氣體流量為160L/h，去離子水流量為100g/h，進口氣體乙醇含量為38mg/L，出口氣體乙醇含量為0.01mg/L，吸收液出口乙醇含量為65%，由第35塊塔板進入乙醇精餾塔9，底部液相物料由第30塊塔板進入乙醇精餾塔9，流量為296g/h；打開乙醇精餾塔塔頂冷凝系統和塔釜加熱電流，使塔釜平穩升溫，當塔頂產生回流時，全回流30min，待塔頂、塔釜溫度、回流速度穩定後，塔頂回流液中乙醇含量為93.6%，此時塔釜溫度和壓強分別為102.6℃和120KPa，塔頂溫度和壓強分別為78.1℃和115KPa；調節塔頂採出閥，使回流比控制在1.5，調節塔頂冷凝水使塔頂壓力穩定在110KPa左右，控制塔釜液位在65%左右，穩定後乙醇精餾塔塔頂溫度和壓強分別為80.1℃和110KPa，塔釜溫度和壓強分別為102.2℃和113KPa，塔釜液中乙醇含量為0.8%，經分子篩乾燥器乾燥後，產品中乙醇含量為99.5%（V），發酵至48h，發酵液中葡萄糖濃度為0.1‰，整個過程發酵液中乙醇濃度為4～5%，乙醇回收率為99.6%。
實施例2
將配好的發酵液加入發酵罐中，加料量為發酵罐容積的65%；啟動滅菌程序，滅菌溫度120℃，滅菌時間30min；滅菌完畢後，設定發酵罐溫度為35℃，攪拌轉速500r/min；待發酵罐溫度恆定後，稱量質量濃度為8‰的安琪乾酵母，復水活化15min後，投入發酵罐中開始發酵；發酵至16h，發酵液中乙醇濃達到6.6%，設定壓控閥5真空度為0.06MPa，開啟真空泵4，發酵罐上方含乙醇的蒸汽經真空泵4後進入冷凝器6，經冷凝後的物料進入緩衝罐7進行氣液分離，頂部氣相物料由底部進入吸收塔，與自上而下的去離子水進行氣液傳質，氣體流量為145L/h，去離子水流量為90g/h，進口氣體乙醇含量為32mg/L，出口氣體乙醇含量為0.02mg/L，吸收液出口乙醇含量為64%，由第35塊塔板進入乙醇精餾塔9，底部液相物料由第30塊塔板進入乙醇精餾塔9，流量為165g/h；打開乙醇精餾塔塔頂冷凝系統，打開塔釜加熱電流，使塔釜平穩升溫，當塔頂產生回流時，全回流30min，待塔頂、塔釜溫度、回流速度穩定後，塔頂回流液中乙醇含量為91.8%，此時塔釜溫度和壓強分別為103.2℃和118KPa，塔頂的溫度和壓強分別為77.4℃和112KPa；穩定後打開塔頂採出閥，調節採出流量，使回流比控制在1.8，通過調節塔頂冷凝水流量使塔頂壓力穩定在110KPa左右，調節塔底採出閥使塔釜液位控制在70%左右，穩定後乙醇精餾塔塔頂溫度和壓強分別為78.1℃和108KPa，塔釜溫度和壓強分別為101.8℃和114KPa，塔釜液中乙醇含量為1.0%，經分子篩乾燥後，產品中乙醇含量為99.7%（V），發酵至46h，發酵液中葡萄糖濃度為0.5‰，整個過程發酵液中乙醇濃度為4～5%，乙醇回收率為99.4%。