[发明专利]一种提高生物质制燃料醇发酵效率的装置及工艺

说明书

技术领域

本发明涉及生物质发酵生产燃料醇过程中一种提高生物质发酵效率的装置及工艺，属于燃料醇制备领域。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的重要基础，用于支撑当前经济高速发展的石油等能源面临严峻挑战，燃料醇(主要为乙醇、丁醇)作为绿色并且可再生的能源，可以部分代替不可再生的石油等能源。伴随着科学技术日新月异的发展，淀粉类、糖类和各类食物纤维等生物质都将成为丰富的原料来源。由自然界来源广泛的生物质发酵生产燃料醇是一种高效的清洁能源技术，已成为各国关注和研究的热点，燃料醇在一定程度上是国家能源的一种有效的生产储备，燃料醇的开发与应用在化石资源日渐枯竭的今天有利于国家能源安全。此外，随着工业的发展和人口的增加，环保越来越成为迫切需要解决的问题，而燃料醇不仅不会对环境造成污染，相反可以改善大气环境。燃料乙醇作为一种以生物质为原料生产的可再生能源已广为人们所熟知。目前以甘蔗、玉米为原料的第一代燃料乙醇产业已经形成规模，2011年世界生物燃料总产量为9095 万吨，其中燃料乙醇产量为6680万吨，燃料乙醇已经成为世界消费量最大的生物燃料。而另一种生物能源——丁醇，由于其蒸汽压力低，能与汽油达到更高的混合比，比乙醇有着更好的应用前景，以生物质为原料生产燃料丁醇更是未来发展的方向。

燃料乙醇的生产方法主要分为化学合成法和生物发酵法，化学合成法是用石油裂解产出乙烯气体来合成乙醇，包括乙炔法、硫酸吸附法和乙烯直接水合法等。生物发酵法集成了热化学和生物发酵两种工艺过程。化学合成法从可持续发展和环保的角度已不合时宜，而发酵法生产的乙醇占全球总量的95%以上。丁醇可采用与乙醇相似的发酵工艺制取，但投资费用较高，生产过程需要较大的蒸发、加热、冷却等设施。当前发酵法生产燃料醇仍存在不少问题，如乙醇、丁醇发酵过程中，发酵产物乙醇、丁醇对微生物具有毒害作用，从而对发酵过程产生反馈抑制作用，致使发酵效率明显下降；此外，从发酵液中分离浓缩乙醇、丁醇，采用传统的蒸馏等方法能耗过高。因此，提高燃料醇的发酵效率，降低燃料醇的分离能耗，进而降低生产成本是生物质制燃料醇亟需解决的问题。

渗透汽化是一种选择分离有机溶剂或水的膜分离方法，具有能耗低、分离效率高、环境友好的优点。目前，利用渗透汽化耦合原位分离乙醇（或丁醇）的专利已有报道，专利CN101153290描述了提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法。该方法采用渗透汽化膜组件置于发酵罐中直接与发酵过程进行耦合，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，与传统蒸馏移除乙醇的方法相比，该方法分离能耗大大降低，省略了料泵等机械设备，降低了生产成本。但该专利将渗透汽化膜组件置于发酵罐中容易造成膜污染，从而使得膜的分离通量和选择性显著下降，不利于长期连续发酵并缩短了膜材料使用寿命。专利CN101235389描述了一种发酵和渗透汽化耦合生产乙醇的工艺。该工艺经发酵罐底部的过滤网式分离器将发酵罐中的固悬物与清液分开后再进行渗透汽化，并通过渗余液的循环冲洗来降低发酵罐底部的堵塞，降低了染菌的可能性，也降低下游渗透汽化分离过程的膜污染。但在该专利中，过滤精度低，仅去除大部分的菌丝体和固悬物，无法除去其它杂质，导致后续渗透汽化分离过程难以稳定运行。专利CN101805754描述了一种生物质发酵与渗透汽化耦合原位分离丙酮、丁醇和乙醇的工艺。该工艺将发酵液用泵抽出输入至渗透汽化膜前先进行微滤膜分离，解除了发酵产物抑制，提高生物质的发酵效率。但该工艺由于采用的是外置式微滤膜装置进行发酵液的预处理，因此在运行过程中，使得发酵罐中主体发酵环境发生变化，特别是发酵菌的浓度等关键参数难以控制；其次，微滤膜装置运行时，通过泵来实现发酵液的错流循环过滤，能耗较大，难以大规模工业化推广应用，再加上发酵菌在微滤膜装置运行时，泵的高速运转等因素会使得部分发酵菌失活甚至破碎和死亡，导致发酵菌数量减少和效率降低。本发明针对上述专利的不足，设计出一种提高生物质制燃料醇发酵效率的新工艺，该工艺在发酵罐中内置多孔分离膜，同时在发酵罐外设置渗透汽化膜，通过膜分离与发酵过程的耦合，形成低能耗、高效率的新型生物质发酵制燃料醇工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中高生物质制燃料醇发酵效率低的缺陷，提供一种提高生物质制燃料醇发酵效率的装置及工艺。