專利名稱：提高生物質(zhì)發(fā)酵強度的乙醇原位分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物質(zhì)發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇工藝中用于提高生物質(zhì)發(fā) 酵強度的乙醇原位分離方法，屬燃料乙醇制備領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著科技和經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球的能源消耗日益增長，鑒于對 未來能源危機的擔(dān)憂，人們正在努力尋求能替代天然燃料的新能源途 徑。近年來，通過糧食發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇以作為天然石化燃料替代品 的研究已初見成效，但隨之產(chǎn)生的問題是大量糧食被消耗，糧價上漲， 導(dǎo)致了工業(yè)生產(chǎn)與糧食供應(yīng)之間的矛盾。為了解決這個矛盾，用非糧 食生物質(zhì)作為發(fā)酵原料將成為生產(chǎn)燃料乙醇的研究方向。我國幅遠遼 寬，廣大農(nóng)村存在大量的玉米秸桿、稻草以及麥桿等生物質(zhì)廢料，用 這些生物質(zhì)為原料生產(chǎn)燃料乙醇，不但解決了這些農(nóng)作物廢料的出 路，還可避免因秸桿、稻草的大量堆積、荒燒等形式造成的環(huán)境污染 等一系列問題。當(dāng)前發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇的效率比較低，這是因為糧食或其它生物質(zhì) 發(fā)酵達到一定程度后，發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇對發(fā)酵過程有反饋抑制作用，致使發(fā)酵效率明顯下降；而目前從發(fā)酵液中分離乙醇采用傳統(tǒng)的蒸餾 方法，蒸餾工藝約占乙醇生產(chǎn)能耗的40%。發(fā)酵效率低下及乙醇分離 能耗高是目前發(fā)酵法乙醇生產(chǎn)工藝成本居高不下的主要原因。而非糧
食生物質(zhì)的發(fā)酵效率相對于糧食發(fā)酵的效率更低，因此，降低燃料乙 醇的生產(chǎn)成本，提高燃料乙醇生物質(zhì)發(fā)酵效率，降低燃料乙醇分離能 耗是目前發(fā)酵法生產(chǎn)乙醇急需解決的課題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種提高生物質(zhì)發(fā)酵強度的乙醇原位分離 方法，以提高生物質(zhì)發(fā)酵效率，降低燃料乙醇分離能耗。 本發(fā)明的乙醇的原位分離方法如下將生物質(zhì)經(jīng)預(yù)處理制成料漿，投入生物質(zhì)發(fā)酵罐內(nèi)，使料漿在 30-45。C下及微生物作用下發(fā)酵產(chǎn)生發(fā)酵液；本發(fā)明的特征是在發(fā)酵 罐內(nèi)設(shè)置以有機聚合物或無機陶瓷為支撐體的滲透汽化膜組件，支撐 體的表面復(fù)有對乙醇具有親和力的活性膜層，另一側(cè)是與真空泵相連的透過側(cè)；當(dāng)罐內(nèi)液相中乙醇體積濃度達到的2-25%時，開啟真空泵， 使?jié)B透汽化膜的透過側(cè)保持50-500pa真空度，發(fā)酵液中的乙醇即向 膜面集積，并透過膜進入透過側(cè)，在負壓氛圍中汽化并不斷被抽離發(fā) 酵罐；同時向發(fā)酵罐內(nèi)添加料槳，使生物質(zhì)發(fā)酵和乙醇分離同時進行。滲透汽化膜組件由多個單元滲透汽化膜組成，各單元滲透汽化膜 的透過側(cè)通過管路并聯(lián)于真空泵總管。所說的對乙醇具有親和力的活性膜材料選自以下材料之一硅橡 膠、聚三甲基硅丙炔、聚丙烯、聚丁二烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯 或其衍生物、丁苯橡膠、丁腈橡膠或分子篩。本發(fā)明采用的單元滲透汽化膜為管式、巻式、平板或中空纖維膜 等形式。 綜上所述，本發(fā)明選用對乙醇具有親和力的滲透汽化膜，利用發(fā) 酵液中乙醇和水及其它組分在滲透汽化膜中的溶解度及擴散速率的 差異，優(yōu)先透過乙醇組份，所以該過程相變量小、效率高、能耗低而 且具有設(shè)備簡單、工藝放大效應(yīng)小等優(yōu)點。本發(fā)明將滲透汽化膜組件 直接設(shè)置在發(fā)酵罐內(nèi)，在膜一側(cè)抽真空的條件下，選擇性地將發(fā)酵液 中的乙醇組分吸附至膜面并繼而透過膜孔進入膜的透過側(cè)，在負壓下 汽化，乙醇被不斷地從發(fā)酵液中分離移去，使得發(fā)酵液中乙醇的濃度 保持在較低的水平，從而減小甚至消除乙醇對酵母細胞的抑制作用，使細胞活性增強，乙醇發(fā)酵產(chǎn)率提高；此外，細胞活性增強又促使細 胞密度增加,使得發(fā)酵體系向著乙醇生產(chǎn)的方向進行，提高了發(fā)酵的 強度和發(fā)酵效率。本發(fā)明的乙醇滲透汽化是在發(fā)酵罐內(nèi)進行的原位分 離過程，發(fā)酵產(chǎn)生的乙醇直接通過罐內(nèi)的滲透汽化膜源源地連續(xù)不斷 地被移去，絕大部分水份則留在發(fā)酵罐內(nèi)，使乙醇的移除速率與乙醇 的發(fā)酵生產(chǎn)速率相當(dāng)，因而發(fā)酵過程可平衡進行而不至于產(chǎn)生較大的 波動；本發(fā)明采用的滲透汽化膜分離方法與蒸餾移除乙醇的方法相 比，不僅分離過程的能耗大大降低，而且省卻了將發(fā)酵體系中的澄清 液抽取出再濃縮的煩瑣步驟，省略了料泵等機械設(shè)備，也進一步節(jié)省 能耗，極大地降低了生產(chǎn)成本，而且還可避免發(fā)酵過程的細菌污染。


圖1是在發(fā)酵罐中設(shè)置滲透汽化組件的生物質(zhì)發(fā)酵-乙醇原位分 離工藝流程示意圖。圖中，l是發(fā)酵罐的進料口， 2是發(fā)酵罐的出料口， 3是發(fā)酵罐，4是滲透汽化膜組件，4-1是單元管式滲透汽化膜，5是滲透汽化系 統(tǒng)的控制閥門，6是真空計，7是冷卻器，8是真空泵。如圖示，滲透汽化膜組件4由若干個單元滲透汽化膜4-1組成， 單元滲透汽化膜4-l可以是管式、巻式、平板或中空纖維膜等形式。 圖中表示的是管式膜，管內(nèi)側(cè)為滲透側(cè)。滲透汽化膜組件4置于發(fā)酵 罐3內(nèi)，各單元滲透汽化膜的透過側(cè)通過管路并聯(lián)于真空泵8的總管。 通過滲透汽化從罐內(nèi)移去的乙醇經(jīng)冷卻器7冷凝成液相收集后用于 下一步提純。
具體實施方式
實施例1秸稈經(jīng)蒸氣爆破預(yù)處理、酶水解后制成料漿，根據(jù)秸稈在發(fā)酵罐 內(nèi)置入10根管式硅橡膠/陶瓷滲透汽化復(fù)合膜，膜層總面積38cm2。 料漿加入發(fā)酵罐內(nèi)，在3(TC溫度下微生物發(fā)酵12h時，檢測罐內(nèi)液 相中乙醇體積濃度達到3%，乙醇的發(fā)酵強度為2gL—1—\此時開啟控 制閥5和真空泵8，將滲透側(cè)的真空度維持在500Pa，同時往發(fā)酵罐 內(nèi)添加料漿；罐3內(nèi)乙醇連續(xù)透入各管式滲透汽化膜4-1的管內(nèi)(即 透過側(cè))并汽化進入冷卻器7被收集。收集所得的乙醇濃度達 17~55v%。本例在同 一發(fā)酵罐內(nèi)實現(xiàn)生物質(zhì)的連續(xù)發(fā)酵和乙醇的連續(xù)濃縮， 乙醇發(fā)酵強度由2gL、—1提高到40gL—V、 實施例2秸稈經(jīng)蒸氣爆破預(yù)處理、酶水解后制成料漿，在32-C的微生物發(fā)酵溫度下，發(fā)酵24h，乙醇體積濃度達到5%時，乙醇的發(fā)酵強度為 3gL—t、將置于發(fā)酵罐內(nèi)的硅橡膠/纖維素板式滲透汽化復(fù)合膜滲透 側(cè)的真空泵打開，將滲透側(cè)的真空度維持在400Pa，同時繼續(xù)往發(fā)酵 罐內(nèi)添加發(fā)酵液，使乙醇的連續(xù)發(fā)酵和連續(xù)化濃縮在一個發(fā)酵罐內(nèi)同 步實現(xiàn)，發(fā)酵強度提高到30gL—'h—、 實施例3秸稈經(jīng)蒸氣爆破預(yù)處理、酶水解后制成料漿，在35"C的微生物 發(fā)酵溫度下，發(fā)酵36h，體積濃度達到3%，乙醇的發(fā)酵強度為 1. 5gL—t、將置于發(fā)酵罐的5根全硅分子篩/陶瓷管式滲透汽化膜滲 透側(cè)的真空泵打開，將滲透側(cè)的真空度維持在200Pa，同時繼續(xù)往發(fā) 酵罐內(nèi)添加發(fā)酵液，使乙醇的連續(xù)發(fā)酵和連續(xù)化濃縮在一個發(fā)酵罐內(nèi) 同步實現(xiàn)，發(fā)酵強度提高到50gL—V1。以上各實施例并不作為對本發(fā)明保護范圍的限制。
權(quán)利要求
1.提高生物質(zhì)發(fā)酵強度的乙醇原位分離方法，將生物質(zhì)預(yù)處理制成料漿，投入生物質(zhì)發(fā)酵罐內(nèi)，使料漿在30-45℃下及微生物作用下發(fā)酵；其特征是在發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)置以有機聚合物或無機陶瓷為支撐體的滲透汽化膜組件，支撐體的一側(cè)表面復(fù)合有對乙醇具有親和力的活性膜層，另一側(cè)是與真空泵相連的透過側(cè)；當(dāng)發(fā)酵罐內(nèi)液相中乙醇體積濃度達到的2-25％時，開啟真空泵，使透過側(cè)保持50-500pa真空度，使乙醇透過滲透汽化膜并不斷被抽離發(fā)酵罐，同時向發(fā)酵罐內(nèi)添加料漿繼續(xù)發(fā)酵。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高生物質(zhì)發(fā)酵強度的乙醇原位分離方法， 其特征是所說的活性膜材料選自以下材料之一硅橡膠、聚三甲 基硅丙炔、聚丙烯、聚丁二烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯或其衍 生物、丁苯橡膠、丁腈橡膠或分子篩。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高生物質(zhì)發(fā)酵強度的乙醇原位分離方法， 其特征是所說的滲透汽化膜組件由多個單元滲透汽化膜組成，各 單元滲透汽化膜的透過側(cè)通過管路并聯(lián)于真空泵總管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高生物質(zhì)發(fā)酵強度的乙醇原位分離方法， 其特征是所說單元滲透汽化膜為管式、巻式、平板或中空纖維膜 等形式。
全文摘要
本發(fā)明涉及提高生物質(zhì)發(fā)酵強度的乙醇原位分離方法，采用滲透汽化膜組件置于發(fā)酵罐中直接與發(fā)酵過程進行耦合，通過滲透汽化膜將發(fā)酵生成的乙醇直接在發(fā)酵罐中原位分離并不斷移去，使乙醇發(fā)酵過程中的反饋抑制作用被打破，提高生物質(zhì)的發(fā)酵效率。本方法大大降低了乙醇的分離能耗，簡化了工藝，降低了燃料乙醇的生產(chǎn)成本。
文檔編號C12P7/06GK101153290SQ20071013093
公開日2008年4月2日 申請日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者旺 衛(wèi), 徐南平, 相里粉娟, 邢衛(wèi)紅, 金萬勤 申請人:南京工業(yè)大學(xué)