[发明专利]生物质发酵-分离耦合装置及制备乙醇的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物质发酵-分离耦合装置及制备乙醇的方法，特别是涉 及一种以纤维素水解后产物的发酵-分离耦合装置，以及使用该装置生产乙醇 的方法。

背景技术

生物质泛指所有的以植物为来源的含碳有机物质，植物接受太阳提供的光 和热，通过光合作用将空气中的二氧化碳转化为含碳有机物物质，同时将部分 能量贮存下来。据估算，将每年植物以碳水化合物形式贮存下来的能量折算为 电能，可达人均50万kWh，是目前世界年人均能耗的420倍。作为开发利用 研究对象的生物质，一般指农业和林业废料，如秸秆、蔗渣、稻糠、木屑等。 生物质以其可再生、产量巨大、可储存、碳循环等优点而引人注目，并且在多 种清洁后续能源中，唯一可转化为液体燃料，与化石燃料具有很大的兼容性。 因此，以高技术开发和利用生物质制备液体燃料，日益引起世界各国的重视。

生物质可大体分为糖质原料、淀粉质原料和纤维素原料。糖质原料、淀粉 质原料制取燃料酒精的技术已很成熟。巴西用甘蔗直接生产燃料酒精，1989 年产量已达10375万立方米。美国每年用玉米生产燃料酒精的产量也很大。但 从总体看，依靠糖蜜、粮食淀粉原料解决用量很大的燃料问题显然是不现实的， 特别是对于人口压力较大的国家和地区更是如此。美国《工业酶学》认为：“如 果乙醇工业要生存，就必须利用木质纤维素生产”。利用葡萄糖直接发酵制备 乙醇是粮食发酵工业一个比较成熟的工艺，而在纤维素发酵制备乙醇过程中， 套用该工艺是纤维素发酵乙醇至今未能走出技术经济关。纤维素发酵制备乙醇 的主要过程包括预处理、水解、发酵、提浓等步骤，具有生产流程长、能耗高、 废水多等不足，影响工业应用的经济性。

将传统工艺的某些步骤结合在一个步骤中进行，是缩短工艺流程，降低能 耗的重要方法。如可以将纤维素的糖化和发酵组合为一个步骤，如CN1505682A 等所述，还可以将酶解、发酵和分离过程组合在一个步骤进行，如CN2570289Y 所述的纤维素固相酶解-液体发酵耦合制备乙醇的装置，在发酵的同时，采用 吸附柱将生成的乙醇吸附分离，然后将吸附柱再生得到乙醇产品。上述方法虽 然在传统工艺上有所改进，但以纤维素为原料生产乙醇技术的经济性仍需进一 步提高，以提高产品的市场竞争力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维素水解糖进行发酵-分离的装置，以及使 用该装置生产乙醇的方法，本发明方法在发酵的同时将乙醇分离，可以降低乙 醇对发酵过程的影响，乙醇分离方法效率高，能耗低，对发酵过程无明显影响， 可以提高以纤维素为原料生产乙醇工艺的经济性。

本发明生物质发酵-分离耦合装置包括生物质发酵罐，在发酵罐的液面下 设置超声波雾化器，设置收集发酵罐液面上产生的雾化物得到乙醇溶液的雾化 物捕集器，设置收集到的乙醇溶液进一步提浓回收的装置。

设置超滤装置，收集到的乙醇溶液在进入提浓回收装置之前先通过超滤装 置，超滤的目的在于回收雾化物中的少量水解糖和发酵菌体，使用截留分子量 为50-170的超滤膜即可，设置截留液循环回发酵罐的管路，减少水解糖和发 酵菌体的损失。超滤装置的滤出液为乙醇溶液，进一步提浓回收装置可以是超 声波雾化提浓装置，也可以是常规的蒸馏提浓装置、吸附提浓装置等。其中超 声波雾化提浓装置可以根据所需产品浓度的要求设置至少一级，超声波雾化提 浓装置在结构和原理上与设置超声波雾化器的发酵罐相同，在超声波雾化提浓 装置内液面以下设置超声波雾化器，雾化物提浓装置雾化物捕集器捕集的液相 为浓度提高的乙醇溶液。

雾化物捕集器为具有将雾化物捕集为液相物料结构的设备，如丝网结构、 填料结构、板式结构、管式结构、翅片结构等，可以静止的设备，也可以是旋 转的设备。雾化物捕集器优选同时带有冷却结构，冷却结构内部通冷却剂，工 作时冷却剂降低雾化物捕集器的温度，提高捕集回收效果，冷却温度可以为 0～20℃。