秸稈稀酸水解液發酵及差壓蒸餾丁醇的方法
2023-11-10 17:39:42 1
專利名稱：秸稈稀酸水解液發酵及差壓蒸餾丁醇的方法
技術領域：
本方法屬於發酵工業領域，特別涉及一種秸稈稀酸水解液發酵及差壓蒸餾丁醇的 方法。
背景技術：
丁醇是一種重要的溶劑，也是塗料、塑料和橡膠等產品的主要原料。近年來，丁醇 還被證實為比乙醇更具潛力的新型生物燃料。以Clostridium, acetobutylicum為代表的 梭菌可以再其代謝過程中產生丙酮、丁醇、乙醇三種成分，稱為溶劑。在丙酮丁醇發酵過程 中，傳統的產物回收採用的方法是蒸餾。由於發酵醪中的溶劑含量僅為1.8% 2.0%，蒸 餾過程需要耗費大量的蒸汽，蒸餾的能耗約佔整個發酵過程能耗的70%。儘管已經出現了 新的低能耗分離工藝如萃取、吸附、氣提、膜分離，但大多數處於實驗室研究當中，並未真正 實現工業化。因此，改造現有的蒸餾工藝，節約蒸汽消耗更具有實際意義。溶劑的蒸餾分離分為粗蒸餾和精餾兩部分。粗蒸餾需要把發酵醪中約2%的 總溶劑蒸出來，獲得40% 50%的總溶劑以便於丁醇、丙酮和乙醇的精餾。粗餾的蒸汽 用量佔蒸餾能耗氣量的一半以上，降低粗餾的能耗是降低蒸餾生產成本的關鍵。專利CN 101397236A採用熱泵、測採技術相結合的精餾工藝分離乙醇-丙酮-丁醇發酵醪液，以降低 醪液的蒸餾能耗。而與常壓蒸餾相比，採用差壓蒸餾，可以使熱能在蒸餾過程中多次耦合， 達到節能降耗的目的。專利CN 1736527A和CN1880435A分別報導了五塔差壓蒸餾裝置和 六塔差壓蒸餾裝置在酒精蒸餾中的應用。針對丁醇發酵蒸餾成本過高的問題，本發明採用負壓塔和正壓塔組成的粗餾塔對 發酵醪進行粗蒸餾，節省了蒸汽用量，降低了蒸餾過程的能耗，顯著的提高了丁醇發酵的經 濟效益。
發明內容
本發明的目的在於提供一種秸稈稀酸水解液發酵及差壓蒸餾丁醇的方法，即採用 負壓塔和正壓塔組成的粗餾塔對溶劑進行粗蒸餾。本發明使利用秸稈酸水解發酵生產丁 醇，降低了原料的成本；發酵醪蒸餾過程的的蒸汽消耗量減少到傳統蒸餾的50%，降低了 溶劑分離的生產能耗，具有良好的經濟效益。本發明的技術方案如下本發明提供的一種秸稈稀酸水解液發酵及差壓蒸餾丁醇的方法，其步驟如下1)秸稈稀酸水解液發酵丙酮丁醇稀酸水解秸稈後的液體通過電滲析、鹼性陰離子樹脂柱脫去其中的酸根離子，即 作為發酵的碳源；將去除的亞硫酸的玉米浸液與澱粉乳混合作為營養物質，加入到秸稈稀 酸水解液中製成發酵培養基，調至PH6. 5，滅菌後接入5 10 %的丙酮丁醇種子液，30 35°C下厭氧發酵2 3d;所述丙酮丁醇種子液的製備為將丙酮丁醇梭菌(Clostridium, acetobutylicum)接入到6%的玉米醪培養基中，厭氧發酵2 3d後製得發酵醪；2)差壓蒸餾發酵醪將步驟1)的發酵醪液通過管道a進入醪液熱交換器3與負壓塔1和加壓塔2經 管道b排出的90°C 115°C的廢醪液進行熱交換，預熱後的溫度為85 95°C的發酵醪分別 進入負壓塔1和加壓塔2的中上部，發酵醪液在兩個塔的提留段脫去丁醇、丙酮、乙醇後從 塔底排出，從提留段分離出來的溶劑和部分水以氣相形式上升到精餾段進一步被濃縮，最 後分別從負壓塔1和加壓塔2的頂部出來進入冷凝器組5被冷凝，冷凝後的粗溶劑部分回 流到各自塔的塔頂，其餘蒸餾出的溶劑通過管道c送到丁醇塔中進行精餾。加壓塔蒸餾用 的熱能是再沸器4中的蒸汽提供的，其塔底溫度115°C 125°C，塔頂溫度105°C 115°C ； 負壓塔所用熱能由加壓塔頂部的粗溶劑蒸汽提供的，其塔底溫度為90°C 100°C，塔頂溫 度80°C 90°C ；負壓塔頂部連接真空泵6以維持負壓，其塔頂壓力0. 07Mpa 0. 09MPa。本發明的秸稈五碳糖發酵及差壓分離丁醇的方法，能夠節約溶劑蒸餾分離的能 耗，降低溶劑分離過程的能耗，使丁醇發酵具有良好的經濟效益。
圖1是本發明中發酵醪粗餾過程的示意圖。其中，1為負壓塔；2為加壓塔；3為醪 液熱交換器；4為再沸器；5為冷凝器組；6為真空泵；管道a中為發酵醪液；管道b中為蒸 餾後的廢醪液；管道c中為蒸餾出的溶劑。
具體實施例方式下面通過實施例進一步描述本發明。實施例1玉米秸稈經粉碎後送入水解罐中，加入0.3%的稀硫酸，秸稈和稀硫酸的比為 1 5，在135°C下水解2h，利用螺旋擠壓機進行固體和液體分離，液體經過DSAV型電滲析 裝置、鹼性陰離子樹脂交換裝置脫去其中的酸根離子，得到五碳糖濃度為4-6%的秸稈稀酸 水解液；將閃蒸後的玉米浸膏(其中的亞硫酸的濃度為0.05g/L)和玉米澱粉乳以1 1的 比例混合作為營養物質，補加到秸稈稀酸水解液中作為發酵培養基，營養物質和稀酸水解 液的比例為1 10 ；用NaOH調節發酵培養基至pH6.5，滅菌後接入8%的丙酮丁醇種子液， 35°C下厭氧發酵4d得到總溶劑含量為2%的發酵醪；將發酵醪液經過醪液熱交換器3與負 壓塔1和加壓塔2底排出的100°C的廢醪混合液進行熱交換，預熱後的溫度為95°C的發酵 醪分別進入負壓塔1和加壓塔2的中上部，發酵醪液在兩個塔的提留段脫去丁醇、丙酮、乙 醇後從塔底排出，從提留段分離出來的溶劑和部分水分別從負壓塔1和加壓塔2的頂部出 來進入冷凝器組5被冷凝，冷凝後的粗溶劑部分回流到各自塔的塔頂，其餘蒸餾出的溶劑 的濃度為50%，通過管道c送到丁醇塔中進行精餾；加壓塔的塔底溫度為125°C，塔頂溫度 115°C，負壓塔的塔底溫度為100°C，塔頂溫度90°C，塔頂壓力0. 08Mpa。實施例2小麥秸稈經粉碎後送入水解罐中，加入0.3%的稀硫酸，秸稈和稀硫酸的比為 1 5，在135°C下水解2h，利用螺旋擠壓機進行固體和液體分離，液體經過DSAV型電滲析 裝置、鹼性陰離子樹脂交換裝置脫去其中的酸根離子，得到五碳糖濃度為4-10%的秸稈稀酸水解液；將閃蒸後的玉米浸膏(其中的亞硫酸的濃度為0.05g/L)和玉米澱粉乳以1 1 的比例混合作為營養物質，補加到秸稈稀酸水解液中作為發酵培養基，營養物質和稀酸水 解液的比例為1 5;用NaOH調節發酵培養基至pH6. 5，滅菌後接入8%的丙酮丁醇種子液， 35°C下厭氧發酵4d得到總溶劑含量為2. 2%的發酵醪；將發酵醪液經過醪液熱交換器3與 負壓塔1和加壓塔2底排出的100°C的廢醪混合液進行熱交換，預熱後的溫度為95°C的發 酵醪分別進入負壓塔1和加壓塔2的中上部，發酵醪液在兩個塔的提留段脫去丁醇、丙酮、 乙醇後從塔底排出，從提留段分離出來的溶劑和部分水分別從負壓塔1和加壓塔2的頂部 出來進入冷凝器組5被冷凝，冷凝後的粗溶劑部分回流到各自塔的塔頂，其餘蒸餾出的溶 劑的濃度為55%，通過管道c送到丁醇塔中進行精餾；加壓塔的塔底溫度為125°C，塔頂溫 度115°C，負壓塔的塔底溫度為100°C，塔頂溫度90°C，塔頂壓力0. 08Mpa。實施例3水稻秸稈經粉碎後送入水解罐中，加入0.3%的稀硫酸，秸稈和稀硫酸的比為 1 5，在135°C下水解2h，利用螺旋擠壓機進行固體和液體分離，液體經過DSAV型電滲析 裝置、鹼性陰離子樹脂交換裝置脫去其中的酸根離子，得到五碳糖濃度為4-10%的秸稈稀 酸水解液；將閃蒸後的玉米浸膏(其中的亞硫酸的濃度為0.05g/L)和小麥澱粉乳以1 1 的比例混合作為營養物質，補加到秸稈稀酸水解液中作為發酵培養基，營養物質和稀酸水 解液的比例為1 5;用NaOH調節發酵培養基至pH6. 5，滅菌後接入8%的丙酮丁醇種子液， 35°C下厭氧發酵4d得到總溶劑含量為2. 2%的發酵醪；將發酵醪液經過醪液熱交換器3與 負壓塔1和加壓塔2底排出的100°C的廢醪混合液進行熱交換，預熱後的溫度為95°C的發 酵醪分別進入負壓塔1和加壓塔2的中上部，發酵醪液在兩個塔的提留段脫去丁醇、丙酮、 乙醇後從塔底排出，從提留段分離出來的溶劑和部分水分別從負壓塔1和加壓塔2的頂部 出來進入冷凝器組5被冷凝，冷凝後的粗溶劑部分回流到各自塔的塔頂，其餘蒸餾出的溶 劑的濃度為55%，通過管道c送到丁醇塔中進行精餾；加壓塔的塔底溫度為125°C，塔頂溫 度115°C，負壓塔的塔底溫度為100°C，塔頂溫度90°C，塔頂壓力0. 08Mpa。實施例4玉米秸稈經粉碎後送入水解罐中，加入0.3%的稀硫酸，秸稈和稀硫酸的比為 1 5，在135°C下水解2h，利用螺旋擠壓機進行固體和液體分離，液體經過DSAV型電滲析 裝置、鹼性陰離子樹脂交換裝置脫去其中的酸根離子，得到五碳糖濃度為4-10%的秸稈稀 酸水解液；將閃蒸後的玉米浸膏(其中的亞硫酸的濃度為0.05g/L)和稻穀澱粉乳以1 1 的比例混合作為營養物質，補加到秸稈稀酸水解液中作為發酵培養基，營養物質和稀酸水 解液的比例為1 5;用NaOH調節發酵培養基至pH6. 5，滅菌後接入8%的丙酮丁醇種子液， 35°C下厭氧發酵4d得到總溶劑含量為2. 2%的發酵醪；將發酵醪液經過醪液熱交換器3與 負壓塔1和加壓塔2底排出的100°C的廢醪混合液進行熱交換，預熱後的溫度為95°C的發 酵醪分別進入負壓塔1和加壓塔2的中上部，發酵醪液在兩個塔的提留段脫去丁醇、丙酮、 乙醇後從塔底排出，從提留段分離出來的溶劑和部分水分別從負壓塔1和加壓塔2的頂部 出來進入冷凝器組5被冷凝，冷凝後的粗溶劑部分回流到各自塔的塔頂，其餘蒸餾出的溶 劑的濃度為45%，通過管道c送到丁醇塔中進行精餾；加壓塔的塔底溫度為125°C，塔頂溫 度115°C，負壓塔的塔底溫度為100°C，塔頂溫度90°C，塔頂壓力0. 08Mpa。
權利要求
一種秸稈稀酸水解液發酵及差壓蒸餾丁醇的方法，其特徵是，發酵醪蒸餾過程的粗塔採用負壓蒸餾塔和正壓蒸餾塔。
2.根據權利要求1所述的一種秸稈稀酸水解液發酵及差壓蒸餾丁醇方法，其特徵 在於所述的負壓蒸餾塔的塔底溫度為90°C 100°C，塔頂溫度80°C 90°C，塔頂壓力 0.07MPa 0. 09Mpa。
3.根據權利要求1所述的一種秸稈稀酸水解液發酵及差壓蒸餾丁醇方法，其特徵在於 所述的負壓蒸餾塔的熱能由加壓塔頂部的粗溶劑蒸汽提供。
4.根據權利要求1所述的一種秸稈稀酸水解液發酵及差壓蒸餾丁醇方法，其特徵在於 所述的正壓蒸餾塔的塔底溫度115°C 125°C，塔頂溫度105°C 115°C。
全文摘要
本發明涉及的秸稈稀酸水解液發酵及差壓蒸餾丁醇的方法，步驟如下以秸稈酸稀酸水解液作為碳源，玉米浸液和澱粉乳作為營養物質，利用丙酮丁醇梭菌(Clostridium.acetobutylicum)發酵得到1.8％～2.3％的總溶劑；發酵醪液經過正壓塔和負壓塔進行粗蒸餾，塔頂得到45％～55％的總溶劑。本發明利用廉價的秸稈發酵生產丁醇，降低了原料的成本；發酵液粗餾過程採用差壓蒸餾，蒸汽量消耗量僅佔傳統粗餾塔的50％，降低了溶劑分離的生產能耗，具有良好的經濟效益。
文檔編號C12R1/145GK101941888SQ200910088100
公開日2011年1月12日 申請日期2009年7月6日 優先權日2009年7月6日
發明者王嵐, 生曉東, 陳洪章, 馬保華 申請人:中國科學院過程工程研究所;香港來禾生物科技有限公司