[发明专利]制备乙醇/水混合物的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及制备如权利要求1的前序部分所定义的乙醇/水混合物的方法，在本方法之中，将可发酵糖或能够水解为可发酵糖的原料发酵为乙醇，并浓缩由此形成的乙醇/水混合物。本发明还涉及如权利要求11的前序部分所定义的装置和如权利要求16的前序部分所定义的用途。

背景技术

在现代社会中，越来越多的用来处理废物和废水的有效方法在产生废物和废水的操作中有需求。工业和生活产生的、并且其中含有多种可发酵糖或可转化为可发酵糖的化合物的废水和废物可通过将其发酵为乙醇而进行处理，从而减少工业和生活废水中的BOD和COD的量，并降低废物中碳水化合物的量。由废物和废水制得的乙醇可进行精制以用于多种用途。问题在于适合于制备乙醇的废物和次要物流(minorflow)经常是分散的，因而其运输及与运输相关的成本成为经济操作的障碍。此外，据估计，投资已知的工艺由分散的次要物流进行产量为200-2,000吨/年的乙醇生产造价过于昂贵。

已知的基于发酵过程的已工业应用的乙醇制备工艺处理量相当大，约10,000-150,000吨乙醇/年。这类装置中部分基于间歇式发酵过程，但连续发酵过程所占的比例在不断增加。发酵的乙醇可通过蒸馏装置蒸馏，以提供例如95重量％或更稀的乙醇/水混合物。蒸馏装置通常包括汽提，用来从乙醇/水混合物中分离醪液。蒸馏过程通常为一级或多级间歇蒸馏或连续蒸馏。汽化的馏分可通过冷凝器液化。

在如上所述的大型装置中，含不发酵的蛋白质、糖和酵母的固体物质以及汽提后不含醇的醪液或糖浆可分离出来用作动物饲料。在现有的工业化的生物乙醇生产装置中，由发酵形成的二氧化碳可通过例如气体流量计从流出发酵罐的气相中分离。但现有的乙醇生产装置的一个问题在于，产生具有相对较高的COD值的不可利用的废物和废水。醪液并不总是满足例如饲料生产者所提出的质量要求，因而必须通过一些其它的方式对其进行处理，例如焚烧或处理掉。

将目前已知的乙醇生产方法用于小规模的工业生产(小于10,000吨乙醇/年)的问题有：a)在实施这些方法的过程中所需的设备的使用方法和结构的复杂性，b)设备的投资成本及与设备使用相关的运行费用相对较高，c)产生的废物和次要物流的量和质量问题，d)设备所需的大量人力，及e)与可燃液体相关的法规，例如当处理体积含量高于80％的乙醇/水混合物时。

作为最接近的现有技术，出版物US4822737中公开了一种乙醇的连续制备方法，该方法中制备了一种浓缩的乙醇/水混合物。从发酵罐中将物质连续地移出，经固体物质分离器进入蒸发器中，在蒸发器中乙醇被分离，而不挥发的物质被引入一个反渗透单元，自反渗透单元分离出排放物水，而含有可发酵糖的部分由反渗透单元循环回发酵罐。该方法也可使用两个蒸发单元进行，从而将反渗透单元获得的浓缩液引入另一个蒸发单元中再进行乙醇的移除。

发明目的

本发明的一个目的是消除上述缺陷。本发明的一个具体目的为公开一种新型的由废物制备乙醇的方法和装置，生产的乙醇用于实际用途，例如用作燃料或溶剂。

发明内容

本发明的方法和装置的特征如权利要求所述。

本发明基于一种制备乙醇/水混合物的方法，其中将选自糖和能够水解为可发酵糖的原料的可发酵原料，及任何必要的辅助物质输入反应器中。辅助物质包括例如空气。原料在反应器中发酵，在一个蒸发器中将乙醇/水混合物从形成的发酵液中分离出来，并将不发酵的物质从反应器中移出。根据本发明的方法，在发酵过程中将反应器中的发酵液连续地输入第一降膜蒸发器。乙醇/水混合物在第一降膜蒸发器中蒸发，将该蒸发器中获得的蒸发物冷凝并将冷凝的乙醇/水混合物在第二降膜蒸发器中浓缩，该第二降膜蒸发器与所述第一降膜蒸发器串联设置。水从第二蒸发器中作为底流移出；而不挥发的物质从第一蒸发器中移出并循环回反应器。

具体而言，本方法基于a)使用两个或多个串联的降膜蒸发器，从而可将乙醇/水蒸气(第二蒸发器的蒸发物)和相对较纯的水(第二蒸发器的底流)从发酵液中分离；b)将不挥发物质从第一蒸发器循环回反应器，由此使该物质中未发酵的糖以更浓的形式循环回反应器，从而加速发酵的过程；及c)降膜蒸发器的使用提供了调节未发酵物质的浓度和量——例如干物质和乙醇的浓度——的可能性。

优选地，在发酵过程中不将可发酵糖或能够水解为可发酵糖的碳水化合物自流程中排出。

在一种优选的实施方案中，反应器为一种发酵容器。