一種利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法
2023-05-29 11:35:16 1
專利名稱：一種利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料乙醇的生產方法，具體地說是一種利用甜高粱莖稈生產燃料 乙醇的方法。
背景技術：
現有生產燃料乙醇的方法主要是利用甜高粱進行固態發酵生產。固態法甜高粱莖 稈生產燃料乙醇工藝技術是不通過提汁直接利用甜高粱莖稈進行發酵生產燃料乙醇的技 術，因其不提汁，當甜高粱莖稈結凍後，即無法進行發酵，所以工廠每年生產期只有收割到 結凍這兩個月的時間。而固態法甜高粱莖稈發酵工藝發酵設備複雜，這主要原因是因固態 法無法利用普通的攪拌器進行攪拌，所以必須利用需要很大動力的斜面轉鼓式固態發酵罐 系統，因這套系統是用動力來驅動整個發酵罐轉動，從而使內部的莖稈全部轉動，所以必然 造成該系統耗電大，設備製造複雜而困難，投資巨大。從原料儲存上來看，甜高粱與甘蔗在榨期上有很大差距。甘蔗在熱帶地區全年生 長，如果安排的好，榨期可以長達8-10個月；而在東北種植甜高粱，一年只有一季，到秋季 收穫，錯開種植，榨期也只有2個月。原料集中壓榨，會造成設備利用率過低，造成投資過 大，沒有經濟效益；拉長收割期，會使原料糖份大幅下降，原料單耗過高增加原本。發酵是生產燃料乙醇的關鍵步驟，它直接決定了噸乙醇耗原料、發酵設備利用率 也即發酵設備投資、後期蒸餾所需能耗及塔底廢水排放量等各項重要指標，特別是在我們 這套工藝中，因為需濃縮儲存糖漿，到了發酵又需重新稀釋，如果發酵乙醇濃度過低，必然 所需的糖汁濃度就低，稀釋加水量大，從而增加了發酵和蒸餾設備的投資，也增加了蒸餾的 能耗和汙水排放量，所以提高發酵醪中的乙醇濃度即成為了決定生產成本和設備投資的重 要因素，按常規的發酵方法12. 5% (v/v)酒份即為濃醪發酵，如果發酵乙醇濃度過高會造 成殘總糖過高，即造成噸乙醇耗原料過高，同時也會造成發酵時間過長、設備投資過大，所 以在高濃度的情況下還需低耗糖，發酵時間短，這樣的工藝用常規發酵方法是很難達到的。目前。本領域技術人員急需解決上述問題。
發明內容
為了彌補現有技術的缺陷，本發明的目的在於提出一種具有成本低、生產周期短 等優勢的利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法。為了實現上述目的，本發明採用如下具體技術方案一種利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法，所述方法包括如下步驟(1)將甜高粱莖稈冷凍儲存，儲存溫度為0 10°C，儲存時間為100 120天；(2)將冷凍儲存後的甜高粱莖稈解凍；(3)將解凍後的甜高粱莖稈去葉鞘；(4)將步驟(3)得到的產物原料進行撕裂和粉碎，撕裂度》90% ；(5)將處理後的原料壓榨提汁；
(6)壓榨提汁後的糖汁進行濃縮，濃縮55%糖份的糖汁進行儲存；20% 25%糖 份的糖汁進行下一步液態發酵及乙醇蒸餾脫水步驟。所述步驟(6)後將20% 40%糖份的糖汁進行步驟(7)預發酵，將活化後的酵母 加入已滅菌的發酵罐中，並用新活化的酵母調節發酵罐中酵母量，酵母濃度不低於5. 0億/ ml，加甜高粱糖液，速度為200L/h，空氣流量550L/min ；溫度控制在32. 5°C，氣體流量調整 至800L/min，25min時開攪拌，速度為lOOrpm。還包括步驟(8)發酵繼續加入甜高粱糖液，空氣流量提升至800 1200L/min ； 持續攪拌，1. 5 2h開始將pH值控制在4. 0 士 0. 1，保持至發酵結束；發酵3 4h停止通氣， 繼續加入甜高粱糖液，持續攪拌；發酵至6 7h停止加入甜高粱糖液；25 35h停止發酵； 酵母分離回收活化將發酵醪液中的酵母用碟片分離機分離，將分離出的酵母液用濃度為
稀酸液浸泡處理，溫度保持在32 35°C 5min，備用；利用分離活化後的酵母重複步驟 (7)至步驟(8)3 4次。所述酵母為熱帶假絲酵母(Candida tropicalis) ZXNY-1，於2010年6月2日，保 藏於中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，地址北京市朝陽區北辰西路1號 院3號，郵編:100101。保藏編號為:CGMCC No. 3889。所述甜高粱糖液是由含糖量為20 45%的甜高粱糖汁在步驟(7)預發酵前需配 製成總糖為20 30g/ml, pH為4的糖液。所述步驟(2)中解凍方法為溫度為75 80°C的水或相同溫度的壓榨後的甜高粱 糖汁噴淋到已經撕裂和粉碎後的甜高粱莖稈上。所述步驟(5)中壓榨提汁利用五組三輥壓榨機進行壓榨，壓輥壓力13 15MP，滲 透水添加量20% 30% (佔莖稈重量)；滲透水溫度75 80°C。所述步驟(8)後還包括步驟(9)將步驟(8)發酵成熟醪液進行乙醇蒸餾和乙醇脫 水，最終製備成燃料乙醇。所述步驟(9)為發酵成熟醪液進入粗餾塔進行蒸餾，粗餾塔將發酵醪液中乙醇 含量蒸餾至60% (v/v)，經粗餾塔蒸餾後，乙醇含量60%的粗酒精溶液進入精餾塔進行精 餾，精餾後的酒精溶液再經過分子篩脫水後得到乙醇含量99. 5%的燃料乙醇。本發明的優點與效益本發明前期冷凍儲存甜高粱莖稈，使得甜高粱莖稈儲存120天後糖分損失只有 0. 53%，且不需增加挖坑投資，優勢十分明顯。本發明利用濃縮後55%糖份的糖汁進行儲存 (常溫儲存)，以供非榨季(3月 6月)使用。這樣延長了生產周期，使一年中無論壓榨季 還是非壓榨季均可進行生產。本發明在發酵成熟醪進入蒸餾前常溫下先採用碟片分離機把發酵成熟醪中的酵 母分離出來，然後用稀酸液進行浸泡處理，把處理後的酵母回用到第一發酵罐再次利用，從 而增加酵母數量，這樣酵母數量增加了，但因該酵母已經是成熟酵母，自身基本不再消耗糖 汁中的糖份，但卻可以進行糖轉化乙醇作用。從而實現酵母用量大為減少，原料糖液糖耗 少，發酵醪液中酵母濃度可達到4億/ml以上，發酵時間縮短為22小時。而現有乙醇發酵 酵母添加量為1.8億/毫升，發酵時間48 72小時，酵母菌體隨發酵醪液排出。本發明真 正實現了甜高粱糖汁短時間、高酒分、低糖耗發酵，發酵醪液中酒份超過14% (v/v)，殘總 糖低於0. 55%，糖轉化率高於90%，發酵時間不高於22小時。本發明所提供的保藏編號為CGMCC No. 3889的酵母，發酵性能較之現有市售酵母更優，其糖耗更低，活性更好，極適合大 規模工業生產，具有很好的市場前景和應用前景。通過本發明最終實現了達到產業化要求的整合工藝技術，現有固態發酵噸乙醇耗 莖稈18噸，發酵時間48 72小時，電耗420kwh，耗蒸汽6. 5噸。與現有技術相比，本發明 噸乙醇耗莖稈減少2. 47噸，電耗減少172kwh，耗蒸汽減少3. 15噸，發酵時間縮短26 50 個小時以上。本發明最終達到噸乙醇耗莖稈15. 53t、耗電248kwh、耗蒸汽3. 35t的指標，通過研 發實驗對現有技術中的難點進行突破，最終實現了高得率、低加水、低能耗的利用甜高粱莖 稈生產燃料乙醇的方法。
下面結合附圖詳細描述本發明的實施方式圖1是本發明工藝流程圖。
具體實施例方式本具體實施方式
所用原料1、甜高粱甜高粱採自內蒙古五原縣，品種為醇甜1號；另外醇甜2號、醇甜3號、 六環、遼甜1號、遼甜3號、農飼1號、雅津1號、雅津2號、雅津5號和綠能2號等11個品 種也可達到相同技術效果，在本具體實施方式
中不再贅述。甜高粱品種諸多，本發明不受甜 高粱品種限制，其他未提及甜高粱品種也可應用於本發明，並獲得同等技術效果。2、本發明所用的熱帶假絲酵母(Candida tropicalis)ZXNY-1，保藏編號為CGMCC No. 3889。其直接來源和原始來源均為從內蒙古五原縣甜高粱渣中，篩選分離得到酵母菌， 在實驗室條件下進行加代繁殖，並進一步篩選出個體優良菌株。3、碟片分離機德國產HDA50-06-006型號碟片分離機。如圖1所示，本發明具體步驟為(1)莖稈冷凍儲存將甜高粱莖稈冷凍儲存，儲存溫度為0 10°C，儲存時間為 120天；發明人建議當年9月至次年2月，共6個月儲存效果更加；(2)解凍將撕裂和粉碎後的甜高粱莖稈解凍；利用溫度為75 80°C的水(也可 以使用相同溫度的壓榨後的甜高粱糖汁)噴淋到已經撕裂和粉碎後的甜高粱莖稈上。(3)將解凍後的甜高粱莖稈去葉鞘，利用一套風選設備進行去葉鞘處理，先將整根 甜高粱莖稈進行切斷，處理成15 20釐米長的莖稈段，然後經過風選系統進行除葉鞘。(此 步驟為公知技術)莖杆葉風選系統一般設計如下莖杆葉風選系統由一颱風選裝置、輸送管路、一臺離心通風機、一臺旋風分離器、 一臺布袋除塵器、螺旋輸送機及排空管路組成。物料由螺旋輸送機排出。(4)將步驟(3)得到的產物原料進行撕裂和粉碎，撕裂度彡90% ；(5)壓榨提汁利用日處理量150噸的五組三輥壓榨機進行壓榨，除葉鞘後的甜高 粱莖稈原料經過切斷機切割後，再經過鏈板式輸送機輸送至三輥壓榨機，經過連續五組壓 榨後，得到甜高粱秸稈渣。榨出的糖汁在壓榨過程中進行收集。壓輥壓力13 15MP，滲透水添加量20% 30% (佔莖稈重量)；滲透水溫度75 80°C。(6)壓榨提汁後的糖汁進行濃縮，濃縮後55%糖份的糖汁進行儲存(常溫儲存)， 濃縮汁儲存是指將榨季(9月 次年2月)生產的甜高粱糖汁利用濃縮技術進行儲藏，以供 非榨季(3月 6月)使用。濃縮到23%糖份的糖汁進行下一步液態發酵及乙醇蒸餾脫水步驟。(7)預發酵將浸泡殺菌後的回用酵母加入已滅菌的發酵罐中，並用新活化的酵 母調節發酵罐中酵母量，使酵母濃度不低於4. 0億/ml，加甜高粱糖液(23. 63g/100ml的糖 液)，速度為150L/h，空氣流量500L/min。15min時打開溫度控制程序，溫度控制在32. 5°C, 氣體流量調整至750L/min。20min時開攪拌，速度為lOOrpm ；(8)發酵①繼續添加甜高粱糖液(23. 63g/100ml的糖液)，速度為130L/h，空氣 流量由750L/min提高至1000L/min，攪拌速度由lOOrpm升至150rpm，1. 5h時開pH值控制 程序，控制PH值在4. 0 士0. 1，一直保持到發酵結束；②發酵3. 5h時停止通氣，繼續添加甜 高粱糖液(23. 63g/100ml的糖液)，速度為130L/h，將發酵溫度保持在32. 5°C，攪拌轉速保 持在150rpm，6. 2h時添加結束；至30h時停止發酵。③酵母分離回收活化常溫(15°C 35°C )下把上批次發酵醪液中的酵母用碟片式離心機分離，轉速為5000 6000r/min，收集 其中的重相(重相為酵母濃液)把分離出的酵母液用的稀硫酸液調節pH至4.0浸泡處 理，溫度保持在33°C水浴保溫5min，備用。④利用上步驟分離活化後的酵母重複步驟①至 步驟④3 4次。(9)乙醇蒸餾和乙醇脫水發酵成熟醪液進入粗餾塔進行蒸餾，粗餾塔將發酵醪 液中乙醇含量蒸餾至60% (v/v)，經粗餾塔蒸餾後，乙醇含量60%的粗酒精溶液進入精餾 塔進行精餾，精餾後的酒精溶液再經過分子篩脫水後得到乙醇含量99. 5%的燃料乙醇。上述乙醇蒸餾和乙醇脫水步驟為本領域技術人員公知的常規技術，在此不詳細贅 述。根據其中步驟(5)中壓榨提汁後的莖稈渣可以輸入到莖稈渣鍋爐後，莖稈渣在鍋 爐進行燃燒，產生出蒸汽提供給蒸發濃縮和蒸餾單元。所述甜高粱糖液是由含糖量為20 45%的甜高粱糖汁在步驟(7)預發酵前需配 製成總糖為20 30g/ml, pH為4的糖液。乙醇蒸餾後的精餾塔底廢醪液中的COD濃度為1500mg/L，可作為稀釋液使用，將 濃糖漿稀釋成發酵適宜濃度。這樣減少了用水量，實現廢醪液循環使用，解約了資源的同 時，大幅度降低了生產成本。技術效果現有甜高粱莖稈儲存是將甜高粱莖稈切斷後，放入在地下挖的土坑中，再用塑料 布覆蓋後進行儲藏。此種儲存方法一是投資較大，根據儲存量需挖多個大型土坑；二是甜高 粱莖稈中的糖分在儲存120天後下降5%左右，糖分損失十分明顯。而採用本發明中的冷凍 儲存技術，甜高粱莖稈儲存120天後糖分損失只有0. 53%，且不需增加挖坑投資，優勢十分 明顯。本發明將濃縮為濃度為55%的糖汁進行儲存，濃縮汁儲存是指將榨季(9月 次年2 月)生產的甜高粱糖汁利用濃縮技術進行儲藏，以供非榨季(3月 6月)使用。這樣延長 了生產周期，現有技術僅榨季可以製備燃料乙醇，壓榨季無法大規模製備，甜高粱莖稈儲存 條件苛刻，往往不能儲存較長時間，因此一直無法解決此技術問題，本發明利用濃縮糖汁的儲存使得榨季和非榨季均可製備燃料乙醇。現有甜高粱壓榨只是採用單組、小型壓榨設備，無法使用滲透噴淋系統，糖汁提取 率只能達到55%，甜高粱渣含水率85%。本發明採用日處理量為150噸的五組三輥壓榨機 組進行壓榨，利用複式滲透法後糖汁提取率達到96. 5 %，甜高粱渣含水率48 %，極大降低 了生產成本。現有甜高粱糖漿濃縮儲存技術僅限於實驗室規模，多採用單效蒸發器進行糖漿濃 縮，噸水耗汽約1. 09噸；而我們採用的五效蒸發技術噸水耗汽月0. 27噸。節能效果顯著。現有乙醇發酵酵母添加量為1. 8億/毫升，發酵時間48-72小時，酵母菌體隨發酵 醪液排出。本發明在發酵成熟醪進入蒸餾前常溫下先採用碟片分離機把發酵成熟醪中的 酵母分離出來，然後用稀酸液進行浸泡處理，把處理後的酵母回用到第一發酵罐再次利用， 從而增加酵母數量，這樣酵母數量增加了，但因該酵母已經是成熟酵母，自身基本不再消耗 糖汁中的糖份，但卻可以進行糖轉化乙醇作用。從而實現酵母用量大為減少，原料糖液糖耗 少，發酵醪液中酵母濃度可達到4億/ml以上；發酵時間縮短為22小時。真正實現了甜高 粱糖汁短時間、高酒分、低糖耗發酵，發酵醪液中酒份超過14% (v/v)，殘總糖低於0. 55%, 糖轉化率高於90%，發酵時間不高於22小時。本發明所提供的保藏編號為CGMCCNo. 3889 的酵母，發酵性能較之現有市售酵母更優，其糖耗更低，活性更好，極適合大規模工業生產， 具有很好的市場前景和應用前景。
權利要求
一種利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟(1)將甜高粱莖稈冷凍儲存，儲存溫度為0～10℃，儲存時間為100～120天；(2)將冷凍儲存後的甜高粱莖稈解凍；(3)將解凍後的甜高粱莖稈去葉鞘；(4)將步驟(3)得到的產物原料進行撕裂和粉碎，撕裂度≥90％；(5)將處理後的原料壓榨提汁；(6)壓榨提汁後的糖汁進行濃縮，濃縮55％糖份的糖汁進行儲存；20％～25％糖份的糖汁進行下一步液態發酵及乙醇蒸餾脫水步驟。
2.根據權利要求1所述的利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法，其特徵在於，所述步 驟(6)後將20% 40%糖份的糖汁進行步驟(7)預發酵，將活化後的酵母加入已滅菌的 發酵罐中，並用新活化的酵母調節發酵罐中酵母量，酵母濃度不低於5.0億/ml，加甜高粱 糖液，速度為200L/h，空氣流量550L/min ；溫度控制在32. 5°C，氣體流量調整至800L/min， 25min時開攪拌，速度為lOOrpm。
3.根據權利要求2所述的利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法，其特徵在於，還包括 步驟(8)發酵繼續加入甜高粱糖液，空氣流量提升至800 1200L/min ；持續攪拌，1. 5 2h開始將pH值控制在4. 0士0. 1，保持至發酵結束；發酵3 4h停止通氣，繼續加入甜高 粱糖液，持續攪拌；發酵至6 7h停止加入甜高粱糖液；25 35h停止發酵；酵母分離回 收活化將發酵醪液中的酵母用碟片分離機分離，將分離出的酵母液用濃度為稀酸液 浸泡處理，溫度保持在32 35°C 5min，備用；利用分離活化後的酵母重複步驟(7)至步驟 (8)3 4次。
4.根據權利要求3所述的利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法，其特徵在於，所述酵 母為熱帶假絲酵母(Candida tropicalis)ZXNY-1，保藏編號為CGMCC No. 3889。
5.根據權利要求4所述的利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法，其特徵在於，所述甜 高粱糖液是由含糖量為20 45%的甜高粱糖汁在步驟(7)預發酵前需配製成總糖為20 30g/ml，pH為4的糖液。
6.根據權利要求5所述的利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法，其特徵在於，所述步 驟(2)中解凍方法為溫度為75 80°C的水或相同溫度的壓榨後的甜高粱糖汁噴淋到已經 撕裂和粉碎後的甜高粱莖稈上。
7.根據權利要求6所述的利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法，其特徵在於，所述 步驟(5)中壓榨提汁利用五組三輥壓榨機進行壓榨，壓輥壓力13 15MP，滲透水添加量 20% 30% (佔莖稈重量)；滲透水溫度75 80°C。
8.根據權利要求7所述的利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法，其特徵在於，所述步 驟⑶後還包括步驟(9)將步驟⑶發酵成熟醪液進行乙醇蒸餾和乙醇脫水，最終製備成 燃料乙醇。
9.根據權利要求8所述的利用甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法，其特徵在於，所述步 驟(9)為發酵成熟醪液進入粗餾塔進行蒸餾，粗餾塔將發酵醪液中乙醇含量蒸餾至60% (v/v)，經粗餾塔蒸餾後，乙醇含量60%的粗酒精溶液進入精餾塔進行精餾，精餾後的酒精 溶液再經過分子篩脫水後得到乙醇含量99. 5%的燃料乙醇。
全文摘要
本發明公開了一種甜高粱莖稈生產燃料乙醇的方法，其主要是將甜高粱莖稈進行冷凍儲存後解凍，然後進行壓榨提汁、濃縮處理後進行預發酵和液態發酵，發酵過程中回收酵母，然後進行乙醇蒸餾和脫水，最終製備成燃料乙醇。通過本發明最終實現了達到產業化要求的整合工藝技術，現有固態發酵噸乙醇耗莖稈18噸，發酵時間48～72小時，電耗420kwh，耗蒸汽6.5噸。與現有技術相比，本發明噸乙醇耗莖稈減少2.47噸，電耗減少172kwh，耗蒸汽減少3.15噸。本發明最終達到噸乙醇耗莖稈15.53t、耗電248kwh、耗蒸汽3.35t的指標，通過研發實驗對現有技術中的難點進行突破，最終實現了高得率、低加水、低能耗的甜高粱莖稈壓榨法提汁步驟。
文檔編號C12P7/06GK101875949SQ20101021726
公開日2010年11月3日 申請日期2010年7月5日 優先權日2010年7月5日
發明者凌豐, 曹珺, 王維平, 謝雙平 申請人:中興能源(內蒙古)有限公司