一種生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料乙醇生產(chǎn)裝置與方法，特別是一種發(fā)酵與蒸汽滲透耦合生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，全球范圍內(nèi)面臨嚴重的能源危機，尋找新型可替代能源已成為世界各國未來能源戰(zhàn)略的關(guān)鍵。隨著世界石油儲量的日益減少，能源危機日漸凸顯，燃料乙醇因具有清潔、環(huán)保、可再生等優(yōu)點而深受人們的青睞。燃料乙醇生產(chǎn)工藝大多采用生物發(fā)酵法，而在傳統(tǒng)發(fā)酵工藝中，隨著乙醇的不斷積累和乙醇濃度的不斷增加，乙醇對酵母細胞的抑制作用不斷增強，嚴重制約著燃料乙醇生產(chǎn)能力的提高。在乙醇發(fā)酵過程中，及時將產(chǎn)物中的乙醇移除，不但可降低乙醇對酵母的抑制、提高乙醇生產(chǎn)率，而且還有利于降低分離系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)乙醇發(fā)酵的連續(xù)化，大幅提高設(shè)備利用率。發(fā)酵與分離耦合技術(shù)大致有以下4種:
[0003](I)汽提發(fā)酵:汽提發(fā)酵是將氣體通入水中，經(jīng)氣液充分接觸，水中溶解的氣體和揮發(fā)性物質(zhì)一起穿過氣液界面，轉(zhuǎn)移到氣相，從而達到脫除目標物的目的。在汽提發(fā)酵過程中，需要較高能耗的空氣壓縮機，同時還要對填料塔進行定期沖洗，增加了操作上的難度；
[0004](2)真空發(fā)酵:真空發(fā)酵是在真空的條件下，發(fā)酵液中的乙醇會不斷析出，從而減小了乙醇對酵母的抑制。真空發(fā)酵雖然可以移除產(chǎn)物乙醇，削弱抑制效應(yīng)，但長時間的操作過程中要求系統(tǒng)保持真空狀態(tài)，比較困難，因此該過程能耗很高；
[0005](3)萃取發(fā)酵:萃取發(fā)酵是將萃取劑直接加入發(fā)酵液中，利用萃取劑將發(fā)酵液中的乙醇萃取出來的方法。但是大多萃取劑對細胞生長有毒性和抑制作用；
[0006](4)滲透汽化發(fā)酵:滲透汽化技術(shù)是以混合物中各組分蒸汽分壓的為驅(qū)動力，以及分離膜中各組分的擴散和溶解速率的不同來實現(xiàn)分離的過程。滲透汽化在乙醇發(fā)酵中應(yīng)用的很廣，具有分離效率高、流程簡單、對微生物無毒害等優(yōu)點，滲透汽化雖然能夠從發(fā)酵液中及時且連續(xù)地分離出乙醇，但也有其缺點:在進料側(cè)容易產(chǎn)生細胞老齡化，聚集無機鹽和非揮發(fā)性產(chǎn)物，造成膜污染，從而使膜的滲透汽化性能下降，分離效果不佳，膜使用壽命較短，在一定程度上提高了操作成本。
[0007]如申請?zhí)枮椤?201110251056 ”，名稱為“ 一種利用蒸汽滲透耦合技術(shù)合成萘普生縮酮中間體的方法”的中國發(fā)明專利申請，公開了一種利用蒸汽滲透耦合技術(shù)合成萘普生縮酮中間體的方法，將蒸汽滲透膜裝置與縮酮反應(yīng)過程耦合，采用蒸汽滲透膜分離技術(shù)脫除萘普生縮酮中間體合成反應(yīng)體系中的副產(chǎn)物水，從而打破反應(yīng)平衡，提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。但該方法中，蒸汽滲透膜的下游物料沒有尾氣回收裝置，存在污染環(huán)境和產(chǎn)品回收率低等缺點。
[0008]如申請?zhí)枮椤?00910148257”，名稱為“一種原位分離發(fā)酵中易揮發(fā)有機物的方法和設(shè)備”的中國發(fā)明專利申請公開了一種分離發(fā)酵產(chǎn)品中易揮發(fā)有機物的方法和設(shè)備，該方法將發(fā)酵與氣提/蒸汽滲透過程耦合，實現(xiàn)了易揮發(fā)有機物的原位分離。從發(fā)酵罐底部的氣體分布器通入惰性氣體，原位氣提出易揮發(fā)性的有機物，進入蒸汽滲透裝置，以實現(xiàn)水和有機物的分離，脫水后的混合氣進入冷凝器回收易揮發(fā)的有機物，不凝氣和含有少量有機物的水蒸氣組分可以循環(huán)利用。但該方法與設(shè)備存在流程復(fù)雜，設(shè)備投資大，二氧化碳無法回收等缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高效、節(jié)能、低碳、環(huán)保的燃料乙醇生產(chǎn)裝置與方法，以實現(xiàn)燃料乙醇的連續(xù)生產(chǎn)，并具有綠色、環(huán)保、投資小、二氧化碳回收率高等優(yōu)點。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)，其中，采用發(fā)酵與膜分離親合技術(shù)，包括:
[0011]發(fā)酵裝置，包括發(fā)酵罐，用于生物發(fā)酵法生產(chǎn)燃料乙醇；
[0012]膜分離裝置，進一步包括:
[0013]膜組件，通過發(fā)酵管路與所述發(fā)酵裝置連接，所述發(fā)酵管路上設(shè)置有第一增壓器和第一壓力調(diào)節(jié)閥，使所述膜組件的滲余側(cè)保持恒定正壓力，所述膜組件采用優(yōu)先透醇膜；
[0014]真空噴射器，與所述膜組件連接，利用所述發(fā)酵裝置產(chǎn)生的二氧化碳為循環(huán)載氣，通過真空噴射提供真空，使所述膜組件的滲透側(cè)為負壓；
[0015]氣液分離裝置，包括氣液分離罐，分別通過分離管路和第一氣體管路與所述真空噴射器連接，通過第二氣體管路與一氣體收集器連接，通過液體管路與一精餾裝置連接，所述真空噴射器排出的混合物料進入所述氣液分離罐后，所述混合物料中的一部分氣相物料經(jīng)第一氣體管路進入所述真空噴射器，所述混合物料中的另一部分氣相物料經(jīng)第二氣體管路進入所述氣體收集器，所述混合物料中的液相物料進入所述精餾裝置。
[0016]上述的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)，其中，所述第一氣體管路上設(shè)置有干燥器、第二增壓器和第二壓力調(diào)節(jié)閥。
[0017]上述的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)，其中，所述分離管路上設(shè)置有冷凝器。
[0018]上述的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)，其中，所述第二氣體管路上設(shè)置有第三增壓器、第三壓力調(diào)節(jié)閥和冷凝器。
[0019]上述的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)，其中，所述第一氣體管路上還設(shè)置有第一止回閥，所述第一止回閥位于所述第二增壓器和所述干燥器之間。
[0020]上述的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)，其中，所述第二氣體管路上還設(shè)置有第二止回閥，所述第二止回閥位于所述冷凝器與所述氣體收集器之間。
[0021]上述的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)，其中，所述膜組件為平板式膜組件、板框膜式組件、卷式膜組件或中空纖維式膜組件。
[0022]上述的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)酵罐內(nèi)位于發(fā)酵液上方安裝有絲網(wǎng)，用來捕獲上升氣流中夾帶的液體。
[0023]上述的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)酵罐底部設(shè)置有氣體分布器，用于促使氣液充分接觸以達到氣液平衡。
[0024]為了更好地實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種生產(chǎn)燃料乙醇的方法，其中，采用上述的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)，包括如下步驟:
[0025]S100、將配好的發(fā)酵液加入發(fā)酵罐中，各成分含量依次為:葡萄糖200g/L?400g/L，蛋白胨5g/L?20g/L，酵母粉3g/L?12g/L，氯化鈉2g/L?8g/L，磷酸二氫鉀0.1Og/L ?0.6g/L，硫酸錢 0.05g/L ?0.8g/L，硫酸鎂 0.2g/L ?0.8g/L ；
[0026]S200、啟動自動滅菌程序開始滅菌，滅菌溫度100°C?121°C，滅菌時間30min?60min ；
[0027]S300、滅菌完畢后，設(shè)定發(fā)酵罐溫度為35°C，攪拌轉(zhuǎn)速100r/min?800r/min ;當發(fā)酵罐溫度穩(wěn)定在35°C時，稱量適量安琪酵母，復(fù)水活化15min?20min后，投入發(fā)酵罐中開始發(fā)酵；
[0028]S400、發(fā)酵預(yù)定時間后，設(shè)定第一壓力調(diào)節(jié)閥的壓力為0.1MPa?0.2MPa，開啟第一增壓器，當發(fā)酵罐底部有氣泡均勾鼓出時，持續(xù)5min?1min ；
[0029]S500、開啟第二增壓器，設(shè)定第二壓力調(diào)節(jié)閥的壓力為0.3MPa?0.5MPa，真空噴射器排出的混合物料經(jīng)第一冷凝器后進入氣液分離罐；
[0030]S600、氣液分離罐的的液相物料去精餾裝置，氣相物料經(jīng)干燥器脫水后，一部分經(jīng)第一止回閥后進入第二增壓器，另一部分經(jīng)第三壓力調(diào)節(jié)閥，使壓力保持在0.2MPa?
0.3MPa，依次經(jīng)第三增壓器、第二冷凝器和第二止回閥后儲存于氣體收集器。
[0031]本發(fā)明的技術(shù)效果在于:
[0032]本發(fā)明利用發(fā)酵和蒸汽滲透耦合連續(xù)生產(chǎn)燃料乙醇的裝置和方法，本裝置可制得乙醇含量為50%?65% (V)的產(chǎn)品，進一步精餾可得到燃料乙醇產(chǎn)品，并可回收發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳。本發(fā)明利用發(fā)酵產(chǎn)生的二氧化碳為循環(huán)載氣，通過真空噴射原理為膜分離下游提供真空，同時在膜分離裝置的上游設(shè)有壓力調(diào)節(jié)閥和增壓器，使膜分離裝置上游保持一定正壓，提高了分離膜兩側(cè)的壓差，使膜分離效率顯著提高。由于發(fā)酵產(chǎn)物中的乙醇被及時移除，消除了產(chǎn)物抑制作用，有利于發(fā)酵進行，提高了乙醇產(chǎn)率，降低了燃料乙醇生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)經(jīng)濟效益。本發(fā)明可與流加同步進行，能實現(xiàn)乙醇發(fā)酵長期穩(wěn)定運行，具有設(shè)備投資省、操作方便、能耗低、無污染、產(chǎn)品附加值高等優(yōu)點。
[0033]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明一實施例的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2為本發(fā)明一實施例的方法流程圖。
[0036]其中，附圖標記
[0037]I發(fā)酵罐
[0038]2 絲網(wǎng)
[0039]3第一壓力調(diào)節(jié)閥
[0040]4膜組件
[0041]5第一增壓器
[0042]6第二增壓器
[0043]7第二壓力調(diào)節(jié)閥
[0044]8真空噴射器
[0045]9第一冷凝器
[0046]10氣液分離罐
[0047]11干燥器
[0048]12第一止回閥
[0049]13第三壓力調(diào)節(jié)閥
[0050]14第三增壓器
[0051]15第二冷凝器
[0052]16第二止回閥
[0053]17氣體收集器
[0054]18精餾裝置
[0055]19氣體分布器
[0056]S100-S600 步驟
【具體實施方式】
[0057]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述:
[0058]參見圖1，圖1為本發(fā)明一實施例的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明的生產(chǎn)燃料乙醇的系統(tǒng)，采用發(fā)酵與膜分離耦合技術(shù)，包括:
[0059]發(fā)酵裝置，包括發(fā)酵罐1，用于生物發(fā)酵法生產(chǎn)燃料乙醇，所述發(fā)酵罐I內(nèi)位于發(fā)酵液上方安裝有不銹鋼絲網(wǎng)2，用來捕獲上升氣流中夾帶的液體，所述發(fā)酵罐I底部設(shè)置有氣體分布器19，用于促使氣液充分接觸以達到氣液平衡，所述發(fā)酵罐I優(yōu)選為全自控發(fā)酵罐，具有滅菌、流加、攪拌、控溫等功能，操作壓力為常壓；
[0060]膜分離裝置，進一步包括:
[0061]膜組件4，通過發(fā)酵管路與所述發(fā)酵裝置連接，所述發(fā)酵管路上設(shè)置有第一增壓器5和第一壓力調(diào)節(jié)閥3，使所述膜組件4的滲余側(cè)保持恒定正壓力，滲透側(cè)為負壓，所述膜組件4采用優(yōu)先透醇膜，如聚二甲基硅氧烷復(fù)合膜，所述膜組件4可為平板式膜組件、板框膜式組件、卷式膜組件或中空纖維式膜組件；
[0062]真空噴射器8，為防腐材質(zhì)，與所述膜組件4連接，利用所述發(fā)酵裝置產(chǎn)生的二氧化碳為循環(huán)載氣，通過真空噴射提供真空環(huán)境，使所述膜組件4的滲透側(cè)為負壓；
[0063]氣液分離裝置，包括氣液分離罐10，分別通過分離管路和第一氣體管