[发明专利]一种发酵和渗透汽化耦合生产乙醇的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及生物质发酵制备燃料乙醇的生产方法，尤其涉及其中发酵过程与渗透汽化耦合生产乙醇的前期预处理工艺的改造，属燃料乙醇制备领域。

背景技术

生物质发酵制备燃料乙醇引起了世界各国的关注，其中尤其是用纤维素(如农作物的秸杆)作为发酵物发酵制备燃料乙醇是燃料乙醇发展的必然趋势，所以打通纤维素发酵制备燃料乙醇的技术路线就成为各国科学家广泛关注的热门课题。发酵过程的代谢产物(乙醇)的大量累积对发酵过程有较大的反馈抑制作用，这会严重影响乙醇的产率。近年来，为了消除产物的抑制作用，提高发酵效率，将发酵过程与分离过程进行耦合的技术路线日益得到重视，特别是将发酵过程与渗透汽化分离过程进行耦合开发新的发酵过程以获得高酒精得率，成为当前发酵工程的主要研究课题之一。该工艺是先将渗透汽化透醇膜与生物发酵过程耦合，生成的乙醇及时移出发酵体系，进而提高发酵速率，据估计，此工艺可提高效率15-80倍；然后采用透水膜，用渗透汽化过程替代传统的精馏过程，所需能耗是原来的10％，因此利用渗透汽化技术来分离发酵生产的乙醇可达到降低成本的目的。

在纤维素发酵体系其中含有15～40％的固含物(未能发酵的木质素)，这会对下游的渗透汽化分离过程带来严重的污染，在以往的报道中，生物发酵反应器中的反应物要经过微滤等预处理才能进入渗透汽化分离过程，这样的工艺过程不仅运行成本高，工业界难以接受，而且还增加了染菌的可能性，既会影响菌体的进一步代谢，又增加了酵母的死亡率，导致发酵速率下降，而且其自身也会伴随着严重的抑制物累计现象，导致发酵过程不稳定。因此，开发一种新的预处理工艺就成为发酵过程与渗透汽化分离过程的耦合工艺能否顺利运行的基础。

发明内容

本发明的目的是为了降低现有预处理工艺的技术成本，提高发酵过程的稳定性等而提出的一种发酵和渗透汽化耦合生产乙醇过程中发酵体系预处理的工艺，以提高酒精发酵得率，并降低渗透汽化膜分离过程的污染。

本发明的技术方案为：在发酵罐底部设计了一种内置式过滤分离器可将发酵体系的固悬物与清液分开，清液部分首先被负压过滤进入一个储蓄罐，然后通过输送泵输送到渗透汽化膜分离器，并通过渗透汽化过程的渗余液循环冲洗来减轻发酵罐底部内置式过滤分离器的堵塞。发酵罐的发酵产物在负压的气氛下，也容易进入储蓄罐。改进后的工艺流程更加适合与渗透汽化过程的衔接，增加了发酵过程与渗透汽化过程二者之间的匹配程度，使得下游的渗透汽化过程的污染现象得到较为明显的改善，也使得整个发酵过程更加稳定。

本发明的具体技术方案为：

一种发酵和渗透汽化耦合生产乙醇过程中发酵体系预处理的工艺，其特征在于生物质在微生物作用下在发酵罐中发酵产生乙醇，当罐中乙醇体积浓度达到1-25％时，在真空系统的作用下，发酵罐中的清液经发酵罐底部的过滤网式分离器过滤后被输送到储蓄罐中，通过输送泵将清液输送到渗透汽化膜分离器，渗透汽化膜分离器在真空系统的作用下，清液中已发酵制得的乙醇被吸附到渗透汽化膜分离器中的复合膜表面并溶解，然后扩散通过膜进入渗透汽化膜的渗透侧后被冷凝器收集得到浓缩的乙醇。本发明在真空系统的作用下，通过发酵罐底部的过滤网式分离器的设计来分离发酵液中的固悬物和清液，发酵罐底部的过滤网式分离器由过滤介质和固定支撑部件组成。过滤网式分离器的设计中最为关键的是根据实际的发酵体系选取相应孔径的过滤介质，其中包括片式无机分离膜(材质可以是莫来石、Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂)，烧结的多孔合金板，沙钢板，不锈钢滤网等，在过滤网式分离器的上面有多路接口，根据实际的情况，采用渗于液循环的方式冲洗过滤介质表面，并根据堵塞的情况，选用几路接口，并调节相应的流速(0m/s-1m/s)，以降低过滤网式分离器的污染。

本发明过滤网式分离器和渗透汽化过程采用同一个真空系统提供过程所需的驱动力。过滤时与渗透汽化分离时的压力大致为50-500Pa。