[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，雾化物捕集器采用喷淋-填料塔耦合的结构，设置收集到的乙醇溶液进一步提浓回收的装置。

本发明生物质发酵-分离耦合装置中，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。

本发明生物质发酵-分离耦合装置，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。

本发明中的雾化物捕集器采用的是喷淋-填料塔耦合为一体的结构，由上面喷淋捕集室和下面填料塔两部分组成。可以在常温下高效地捕集雾化物，从而大大降低捕集雾化物所需能耗。

喷淋捕集室内顶部设置喷嘴，优选同时在喷淋捕集室内周围也设置喷嘴，喷嘴通过循环泵与喷淋捕集室的底部相连，喷淋液循环操作。开始启动时，淋捕集室底部预先放入少量一定浓度的乙醇溶液，循环泵吸入喷淋捕集室底部的溶液，从喷嘴喷出。喷嘴喷出的雾与超声雾化物相比，其液滴要大得多，能够在重力作用下迅速滴落到喷淋捕集室底部，滴落时与悬浮在喷淋捕集室内部的雾化物相碰撞，一边吸收雾化物一边滴落下来，从而达到捕集雾化物的目的。

填料塔是本领域技术人员所熟知的技术内容，可以根据需要进行设计。塔中可装填如θ环等各种带有网状或微孔结构的填料，塔的高度视处理量而定，一般情况下不应少于300mm。在气相输送动力装置的带动下，少量未被捕集的雾化物进入到填料塔中被捕集下来，并沿着塔壁滴落到喷淋捕集室的底部。