[实用新型]基于渗透汽化膜的乙醇发酵与分离耦合的系统装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种乙醇生产装置，特别是乙醇发酵和分离耦合的系统装置。

背景技术

燃料乙醇是一种新型清洁燃料，是可再生能源开发利用的重要方向。燃料乙醇可以用玉米、小麦、甘蔗、木薯、红薯、高粱、甜菜等作物通过生物发酵方式来生产，也可以利用植物纤维经过预处理、无机酸或纤维素酶水解再通过生物发酵方式生产。

植物纤维生产的生产量大，不与粮食等作物争夺资源，是燃料乙醇的理想原料。纤维素生产乙醇工艺一般包括4个过程：即原料的预处理、酶水解、发酵和乙醇分离。

纤维素的预处理方法包括物理法、化学法、物理化学法以及生物法等。为了破坏木质纤维素中的纤维结构，预处理过程或多或少地会形成一些抑制纤维素水解和乙醇发酵过程的副产物：各种有机弱酸(如乙酸和甲酸)、呋喃衍生物(如糠醛和羟甲基糠醛)和苯系化合物等。因此，木质纤维素预处理后一般需要一个纤维素残渣的水洗或脱毒过程，用来去除纤维素残渣中的各种抑制物组分，提高下一步酶解和发酵的效率。水洗和脱毒过程使得整个工艺复杂化，增加了水的用量和能耗，以及后续水处理的难度，提高了乙醇的生产成本。

CN200710130936.6公开了一种提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法，将渗透汽化膜组件置于发酵罐中直接与发酵过程耦合，通过渗透汽化膜将发酵生成的乙醇直接在发酵罐中原位分离并不断移去，使乙醇发酵过程中的反馈抑制作用被打破，提高生物质的发酵效率。CN200810020356.6提供了一种发酵和渗透汽化耦合生产乙醇的工艺。通过设置在发酵罐底部的滤膜将发酵罐中的菌体与发酵清液分开，发酵清液通过泵输送到渗透汽化膜的分离器，并通过渗余液的循环来降低发酵罐底部的堵塞。

发明内容

本实用新型提供一种基于渗透汽化膜的乙醇发酵与分离耦合的系统装置，可以在实现发酵和初步分离的同时，简化纤维素预处理过程，解决了菌体滤膜堵塞影响装置的连续稳定运转等问题。

本实用新型基于渗透汽化膜的乙醇发酵与分离耦合的系统装置包括：发酵单元、微滤膜过滤单元和渗透汽化膜分离单元。微滤膜过滤单元设置并列的两组及切换操作的管路和阀门，两组微滤膜过滤单元分别与发酵单元发酵液出口管道相通，两组微滤膜过滤单元的出口分别通过管道与渗透汽化膜分离单元入口连接，两组微滤膜过滤单元分别设置清洗管路，清洗管路与渗透汽化膜分离单元的渗余液出口相连，渗透汽化膜分离单元的渗透气经冷凝后收集为浓缩的乙醇溶液。

本实用新型中，发酵单元可以是本领域常规的发酵反应器，如斜底发酵罐、锥形发酵罐、蝶形发酵罐等，或者不同结构发酵罐的组合。

本实用新型中，微滤膜过滤单元为全封闭微滤膜组件，分成并列两组，通过每组微滤膜过滤单元入口和出口设置的阀门进行切换操作，一组进行过滤的同时，另一组利用渗余液进行微滤膜清洗操作，保证了装置的稳定连续运转。微滤膜可以是管式膜、平板膜或中空纤维膜等任意现有产品，材质可以是有机膜或无机膜，膜的孔径为0.1-10μm。设置微滤膜过滤单元的浓缩菌体悬浮液返回到发酵罐的管路，微滤膜起到截留乙醇发酵菌的作用，经过浓缩的菌体悬浮液返回到发酵罐，而发酵清液则进入到渗透汽化膜分离单元的储罐中。

本实用新型中，渗透汽化膜分离单元按物料流动方向依次包括由管路连接的发酵清液储罐、泵、渗透汽化装置、冷凝装置、乙醇浓缩液储罐和真空泵等设备。渗透汽化装置中设置渗透汽化膜，渗透汽化膜将渗透汽化装置分隔为上游侧和下游侧两个室，上游侧为液相室，下游侧为汽相室。汽相室与冷凝装置和真空系统依次连接，冷凝的得到的液相为浓缩的乙醇溶液进入乙醇浓缩液储罐。由上一单元进入到发酵液储罐的发酵清液在储罐中经过加热器加热到30-70℃后通过泵打入到渗透汽化装置，进入液相室，液相室渗余液通过管路循环至微滤膜过滤单元。渗透汽化膜对发酵清液中的乙醇和发酵抑制物如乙酸、甲酸和糠醛等组分有选择通过性，这些有机分子溶解吸附于渗透汽化膜的表面，在渗透汽化膜的化学位梯度作用下优先扩散通过，使上游侧发酵清液组成发生改变。通过膜渗透到下侧的组分，由于其蒸汽分压小于其饱和蒸汽压而在膜表面汽化，随后进入冷凝系统，蒸汽冷凝下来即得渗透产物：乙醇浓缩液进入到储罐中。整个过程的推动力是渗透汽化膜两侧的渗透组分的分压差，移走渗透汽化膜下游侧的气相并冷凝收集，可以维持上下游一定的传质推动力。也可以用惰性气体，如发酵产生的CO₂吹扫的方式代替真空系统，惰性气体在经过冷凝回收透过组分后可循环使用。通过渗透汽化膜分离浓缩得到的乙醇浓缩液的乙醇浓度为40％-60％(质量)，进一步经过精馏和脱水即可得到无水乙醇。