糖質原料生產乙醇發酵/蒸餾一體化工藝及裝置的製作方法
2023-05-06 16:05:06 1
專利名稱：糖質原料生產乙醇發酵/蒸餾一體化工藝及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於生物質液體燃料生產技術領域，特別涉及基於糖質作物(甜高粱、 甘蔗、甜菜、菊芋等)固態發酵、醇-渣氣提和糟渣氣流乾燥生產燃料乙醇的一 體化工藝及裝置。
背景技術：
國際公認唯有生物燃料能在運輸領域大規模替代傳統化石燃料。現階段世界 上燃料乙醇產量最大，也是發展生物質能源的首選產品。糧食乙醇不適合我國國
情，而能夠代替糧食生產乙醇的農林生物質資源卻十分豐富，年保有量達7億噸， 但是纖維乙醇轉化技術目前仍存在技術瓶頸，短期內難以真正實現商業化。為落 實"不爭糧、不爭地"的產業發展原則，我國正積極開發非糧原料(甜高粱、甘 蔗、木薯等)生產燃料乙醇技術。
甜高粱以其高含糖量的優點成為國際首選的能源作物，在許多國家甜高粱乙 醇生產已得到了廣泛認可。雖然甜高粱可以大面積種植，但是將甜高粱轉化為乙 醇的技術卻一直沒有實現商業化生產。現在首要的目標在於技術經濟性，即盡可 能降低生產成本使甜高粱乙醇與汽油價格具有競爭力。
目前甜高粱莖稈生產乙醇主要採用固態和液態兩種發酵方式。液態發酵法通 常是將鮮甜高粱莖稈多級壓榨提取汁液並進行液態發酵。該方法的缺點是稈渣中 可發酵糖分未能加以利用；同時，糖汁濃縮滅菌儲存需消耗大量蒸汽；糖漿加水 稀釋進行乙醇發酵，廢水量大、能耗高而產率低，這些問題使得榨汁法工業化發 酵生產乙醇比較困難。
固態發酵法生產燃料乙醇是將甜高粱杆粉碎後直接發酵，從根本上克服了液 態發酵的先天性不足，降低了對原料預處理強度的要求，並顯著提高了乙醇的產 率。但由於傳統固態發酵法採用"酵池式"釀酒工藝，發酵周期較長；由於發酵 產物為固態料，需採用"甑桶"餾酒和過汽冷凝技術並只能間歇操作，勞動強度
4大；得到的70% (v/v)以下不同酒度的粗醇溶液，需要大量的加熱蒸汽和冷卻
介質。這些問題致使生產成本居高不下，無法實現商業化大規模運作。更為甚者， 傳統的固體蒸餾工藝在理論與機理方面都沒有深入的研究。
在之前發明《一種基於甜高粱莖稈固體發酵製備乙醇的方法及系統》(公開
號CN101220378)和《一種基於甜高粱稈固態發酵料分離乙醇的方法及系統》(公 開號CN101085995)的基礎上，本發明對基於糖質作物的固態發酵法生產燃料 乙醇的工藝和設備進行了優化整合併實現了高度技術集成，可大幅降低生產成本 和節約能耗。
發明內容
本發明的目的是為了從根本上解決當前基於糖質作物的燃料乙醇生產中，液 態發酵方式的榨汁預處理能耗高、發酵周期長、環境汙染嚴重等問題和傳統固態 發酵工藝勞動強度大、效率低、難以實現機械化等缺陷，而提供了一種固態發酵、
醇-渣氣提和糟渣氣流乾燥一體化工藝及裝置，其特徵在於，工藝步驟如下
(1)動態進料糖質作物包括甜高粱、甘蔗、甜菜、菊芋，將其莖稈經剝葉 破碎後獲得絲狀粉碎料，粉碎料經皮帶輸送，憑藉推料絞輪、臥式固態發酵罐筒 體傾斜迴轉和抄板升舉使粉碎料自動進入臥式固態發酵罐並在發酵罐內最大限 度均勻分布；
(2)固態發酵種子罐中培養好的高產乙醇酵母菌液經菌液排出管、旋轉接 頭、套管流路，藉助空氣壓送入臥式固態發酵罐，由固定於發酵罐筒體上部的菌 液噴淋管噴灑，同時使粉碎料轉動，實現料-液混合，在厭氧環境和強化熱質傳
遞條件下藉助高產乙醇酵母菌將可發酵糖分轉化為乙醇和C02，並及時將C02經
co2排氣口排出以強化發酵過程；
(3)醇-渣分離固態發酵結束後在同一裝置內，經旋轉接頭、套管流路引
入乾熱空氣或過熱蒸汽，在發酵罐筒體迴轉和抄板作用下與發酵料高效接觸，強 化熱質傳遞，通過氣提使發酵料中乙醇轉入氣(汽)相，乙醇氣經固態發酵罐末
端收集組件作為氣相進料送往精餾塔製備95.5。/。(v/v)的乙醇，或經螺旋板冷凝器和粗醇收集裝置獲得平均30 40% (v/v)粗醇溶液；
(4)糟渣氣流乾燥氣提分離乙醇後，將臥式固態發酵罐作為氣流乾燥設備， 經旋轉接頭、套管流路將煙道氣或乾熱空氣沿軸向噴入，通過發酵罐筒體迴轉和 抄板升舉使糟渣與熱介質充分接觸，溼熱氣體通過溼熱氣體排出口引出，從而實 現糟渣快速乾燥；
(5)動態出料水分低於17%的乾燥料藉助發酵罐筒體迴轉和抄板自動出罐，
由乾燥料排出口送往後續造粒單元製備顆草食粒飼料或生物固體燃料。
所述固態發酵、醇-渣氣提和糟渣氣流乾燥一體化裝置包括粉碎機l，輸送
皮帶3，進料倉4，推料絞輪5，種子罐6，菌液排出管7，臥式固態發酵罐8， 抄板9，旋轉接頭IO，套管流路ll，菌液噴淋管12，減速電機與電控系統1.3， 乾燥料出口 14， C02排氣口 15，乙醇收集組件16，螺旋板換熱器17，粗醇收集 裝置18，溼熱氣體排出口 19和，精餾塔20;
其中推料絞輪5的一端與進料倉4相連，另一端與臥式固態發酵罐8的進料 口相連；
減速電機與電控系統13驅動臥式固態發酵罐8的筒體轉動； 旋轉接頭10和套管流路11包含多流路，允許菌液、過熱蒸汽、乾熱空氣或 煙道氣在臥式固態發酵罐8轉動條件下連續穩定入罐。
本發明的有益效果為(1)在同一迴轉固態發酵罐裝置內完成固態發酵、醇 -渣氣提和糟渣氣流乾燥過程，簡化工藝流程，實現高度技術集成，並能最大限 度轉化粉碎料中可發酵糖，高效提取固體發酵料中的乙醇；(2)藉助筒體迴轉和 抄板升舉作用，強化物料混合、傳熱傳質，增強菌種遷移性，有效利用可發酵糖 分並減少乙醇揮發損失，提高乙醇實際收率；(3)節省物料輸送時間和降低能耗， 體現固態發酵法生產燃料乙醇高淨能比和低環境負荷的優勢。
圖1為糖質原料生產燃料乙醇的一體化工藝流程及裝置示意圖。 具體實施下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
如圖l所示，所述糖質原料生產燃料乙醇的一體化工藝流程如下
1. 動態進料將甜高粱莖稈剝葉後經粉碎機1破碎後獲得絲狀粉碎料2，粉 碎料2經輸送皮帶3輸送到進料倉4，憑藉推料絞輪5、臥式固態發酵罐8的筒
體傾斜迴轉和抄板9升舉使粉碎料2自動進入臥式固態發酵罐8並在發酵罐8內 最大限度均勻分布；其中推料絞輪5的一端與進料倉4相連，另一端與臥式固態 發酵罐8的進料口相連；減速電機與電控系統13驅動臥式固態發酵罐8的筒體 轉動；
2. 固態發酵種子罐6中培養好的高產乙醇酵母菌液經菌液排出管7、旋轉 接頭10、套管流路11，藉助空氣壓送入臥式固態發酵罐8，由固定於發酵罐8 筒體上部的菌液噴淋管12噴灑，同時使粉碎料2轉動，實現料-液混合，在厭氧
環境和強化熱質傳遞條件下藉助高產乙醇酵母菌將可發酵糖分轉化為乙醇和 C02，並及時將C02經C02排氣口 15排出以強化發酵過程；
3. 醇-渣分離固態發酵結束後在同一裝置內，經旋轉接頭IO、套管流路ll 引入乾熱空氣，在發酵罐8的筒體迴轉和抄板9作用下與發酵料高效接觸，強化 熱質傳遞，通過氣提使發酵料中乙醇轉入氣(汽)相，乙醇氣經固態發酵罐8末 端的乙醇收集組件16作為氣相進料送往精餾塔20製備95. 5% (v/v)的乙醇，或 經螺旋板換熱器17和粗醇收集裝置18獲得平均30 40% (v/v)粗醇溶液；
4. 糟渣氣流乾燥氣提分離乙醇後，將臥式固態發酵罐8作為氣流乾燥設備， 經旋轉接頭10、套管流路11將煙道氣沿軸向噴入，通過發酵罐8的筒體迴轉和 抄板9升舉使糟渣與熱介質充分接觸，溼熱氣體通過溼熱氣體排出口 19引出，
從而實現糟渣快速乾燥；
5. 動態出料水分低於17%的乾燥料藉助發酵罐8的筒體迴轉和抄板9自動 出罐，由乾燥料出口 14送往後續造粒單元製備草食顆粒飼料或生物固體燃料。
實施例1
採用甑桶裝置(高度13. 7cm，直徑15. 7cm)，從甜高粱稈固體發酵料中氣(汽)提分離乙醇。沿用梯度加料方式對不同量發酵料進行實驗，確定了最適添充高度
和熱介質(乾熱空氣、C02和3.5kg/cm2過熱蒸汽)流率，酒氣(汽)經螺旋板換 熱器冷凝後收集。例如，在優化工況下，單批加入300 600g發酵料(水分濃度 70 85%，乙醇質量濃度5 10%)，以乾熱空氣為載熱體，於85 95。C下進行， 氣提時間為40 80min，氣相冷凝液中乙醇體積濃度為15 35%，糟渣中乙醇體 積濃度低於0. 5%，實際乙醇收率在88 95%範圍內。 實施例2
在自主研發的50L臥式轉鼓固態發酵/蒸餾一體化裝置(直徑3,00,，長度 700mm)中，對發酵料中乙醇連續氣(汽)提和糟渣乾燥進行了多批次試驗，採 用套管式旋轉接頭實現在發酵罐筒體轉動過程中氣態熱介質連續進出。例如，甜 高粱稈固體發酵後以熱C02為氣提介質回收乙醇，固態發酵料(水分濃度裝填系 數為0.3 0.7，流率2 8L/min，溫度80 105。C，乙醇蒸汽通過螺旋板高效換 熱器冷凝，氣提時間為90 120min，冷凝液中乙醇體積濃度10 60%，糟渣中乙 醇體積濃度低於0.2%，實際乙醇收率85 94%。繼續以熱C02 (模擬煙道氣)為 乾燥介質，對糟渣進行動態乾燥，經60 180min，固態糟渣中水分濃度低於20%， 適合擠壓成型用作草食飼料或生物固體燃料。
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權利要求
1. 一種糖質作物固態發酵、醇-渣氣提和糟渣氣流乾燥生產燃料乙醇的一體化工藝，其特徵在於，所述工藝包括如下步驟1)動態進料糖質作物包括甜高粱、甘蔗、甜菜、菊芋，將其莖稈經剝葉破碎後獲得絲狀粉碎料，粉碎料經皮帶輸送，憑藉推料絞輪、臥式固態發酵罐筒體傾斜迴轉和抄板升舉使粉碎料自動進入臥式固態發酵罐並在發酵罐內最大限度均勻分布；2)固態發酵種子罐中培養好的高產乙醇酵母菌(CGMCC No.1949)液經菌液排出管、旋轉接頭、套管流路，藉助空氣壓送入臥式固態發酵罐，由固定於發酵罐筒體上部的菌液噴淋管噴灑，同時使粉碎料轉動，實現料-液混合，在厭氧環境和強化熱質傳遞條件下藉助高產乙醇酵母菌將可發酵糖分轉化為乙醇和CO2，並及時將CO2經CO2排氣口排出以強化發酵過程；3)醇-渣分離固態發酵結束後在同一裝置內，經旋轉接頭、套管流路引入CO2、乾熱空氣或過熱蒸汽，在發酵罐筒體迴轉和抄板作用下與發酵料高效接觸，強化熱質傳遞，通過氣提使發酵料中乙醇轉入氣相或汽相，乙醇氣經固態發酵罐末端乙醇收集組件作為氣相送往精餾塔製備95.5％(v/v)的乙醇，或經螺旋板冷凝器和粗醇收集裝置獲得平均30～40％(v/v)粗醇溶液；4)糟渣氣流乾燥氣提分離乙醇後，將臥式固態發酵罐作為氣流乾燥設備，經旋轉接頭、套管流路將煙道氣或乾熱空氣沿軸向噴入，通過發酵罐筒體迴轉和抄板升舉使糟渣與熱介質充分接觸，溼熱氣體通過溼熱氣體排出口引出，從而實現糟渣快速乾燥；5)動態出料水分低於17％的乾燥料藉助發酵罐筒體迴轉和抄板升舉自動出罐，由乾燥料排出口送往後續造粒單元製備草食顆粒飼料或生物固體燃料。
2. 權利要求1所述的一體化工藝的裝置，包括粉碎機(1)，輸送皮帶(3)，進料倉(4),推料絞輪(5)，種子罐(6)，菌液排出管(7)，臥式固態發酵罐(8)，抄板(9)，旋轉接頭(IO)，套管流路(ll)，菌液噴淋管(12)，減速電機與電控系統(13)，乾燥料出口(14)， C02排氣口(15)，乙醇收集組件(16)，螺旋板換熱器 (17)，粗醇收集裝置(18)，溼熱氣體排出口(19)和精餾塔(20);其特徵在於， 所述推料絞輪(5)的一端與進料倉(4)相連，另一端與臥式固態發酵罐(8)的進料 口相連；減速電機與電控系統(13)驅動臥式固態發酵罐(8)的筒體轉動。
3.根據權利要求2所述的糖質作物生產燃料乙醇一體化裝置，其特徵在於 所述的旋轉接頭(10)和套管流路(11)包含多流路，允許菌液、過熱蒸汽、幹 熱空氣或煙道氣在臥式固態發酵罐(8)轉動條件下連續穩定入罐。
全文摘要
本發明公開了屬於生物質液體燃料生產技術領域的一種基於糖質原料生產燃料乙醇的一體化工藝及裝置。其工藝過程為將糖質作物粉碎後進入固態發酵、乙醇氣提和糟渣氣流乾燥一體化裝置；將粉碎料與高產乙醇酵母菌液混合，在厭氧環境和強化熱質傳遞條件下完成固體發酵；然後通過氣提分離乙醇；糟渣在發酵罐的筒體迴轉過程中經氣流乾燥後出罐。本發明簡化了固體發酵生產乙醇的工藝流程，實現高度技術集成，並能最大限度轉化粉碎料中可發酵糖，高效提取固體發酵料中的乙醇；利用煙道氣、過熱蒸汽(CO2或乾熱空氣)分離乙醇和利用煙道氣(或乾熱空氣)乾燥糟渣，節省物料輸送時間和降低能耗，體現了固態發酵法生產燃料乙醇高淨能比和低環境負荷優勢。
文檔編號C12R1/645GK101503713SQ20091007978
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月11日 優先權日2009年3月11日
發明者李十中, 李天成 申請人:清華大學