秸秆同步酶解发酵燃料乙醇循环式反应器及其反应方法

摘要

本发明公开了一种秸秆同步酶解发酵燃料乙醇循环式反应器及其反应方法，该反应器包括机械搅拌式发酵罐、空气净化装置、蒸汽产生装置、温度控制系统、蒸馏塔、下位机控制系统、上位机监控系统、调速器与搅拌电机、压力泵，还包括陶瓷超滤膜分离装置，其上端与机械搅拌式发酵罐上端的回料口相连，下端经压力泵与机械搅拌式发酵罐下端的发酵残渣排出口相连。该反应器集灭菌、酶解和发酵于一体，既可用于秸秆同步酶解发酵燃料乙醇的生产，也可用于秸秆分步酶解、发酵工艺生产燃料乙醇；采用陶瓷超滤膜分离装置，能实现纤维素酶、酵母的反复循环利用；该反应器不仅可以用于秸秆酶解发酵燃料乙醇的生产，而且还可用于抗生素、氨基酸、酶等生物制品的发酵生产。

说明书

技术领域

本发明属于微生物发酵设备技术领域，涉及一种以秸秆为原料，采用同步酶解发酵工艺，能重复利用含有纤维素酶、木聚糖酶和酵母的发酵液生产燃料乙醇的一体化反应器及其反应方法。

背景技术

以可再生的秸秆废弃物为原料，采用微生物发酵技术生产燃料乙醇，已经成为缓解我国能源危机，综合利用秸秆废弃物，保障能源安全的重要战略措施。但目前还没有形成大规模、工业化生产，主要的原因就是生产的成本过高。以玉米秸秆为代表的利用秸秆中纤维素生产乙醇的工艺一般包括预处理、酶解和发酵三个步骤。其中酶解主要是水解纤维素和半纤维素分解成糖，发酵主要将糖转化成酒精。目前，秸秆原料的酶解在整个燃料乙醇生产成本中约占60%左右，为简化设备，缩短生产周期，常采用同步酶解发酵(SSF)工艺方法。该方法是将纤维素酶和合适的酵母放在同一容器中连续进行纤维素的酶解和发酵。该工艺优点降低了葡萄糖的反馈抑制，提高了酒精得率和生产效率。如何提高纤维素酶和酵母的利用率，是进一步提高同步酶解发酵的效率和乙醇的产量，减少纤维素酶和酵母的用量，降低乙醇生产成本的关键。而研发合适的反应器（发明专利ZL200680034205.5，将纤维素材料转化为乙醇的方法和设备，提到反应器的重要性），为秸秆类原料生产燃料乙醇工业化推进做出积极探索，是该技术领域科研人员急需解决的问题之一。

传统的同步酶解发酵反应器大多采用机械搅拌式反应器，纤维素酶和酵母以及秸秆原料一次同时投放,发酵结束后，残余纤维素酶和酵母随着发酵残渣一起放出，造成了纤维素酶和酵母的浪费，没有充分发挥酶和酵母的利用效率。而纤维素酶的用量成本占到酶解发酵成本的70%以上。 

发明内容

针对现有技术中同步酶解发酵过程中反应器存在的上述问题，为解决富含纤维素酶和酵母的混合菌液的充分循环利用问题，本发明提供一种工艺简单、效果显著的循环式一体化反应器。

本发明的技术方案是：

秸秆同步酶解发酵燃料乙醇循环式反应器，包括50～100000L机械搅拌式发酵罐、空气净化装置、蒸汽产生装置、温度控制系统、蒸馏塔、下位机控制系统、上位机监控系统、传感器与仪表系统、调速器与搅拌电机、配套的管路系统和阀门、0.098MPa～4.0MPa压力泵，所述机械搅拌式发酵罐的上端设有进料口和回料口，下端设有发酵残渣排出口；其特征在于：还包括陶瓷超滤膜分离装置，所述陶瓷超滤膜分离装置的上端与机械搅拌式发酵罐上端的回料口相连，下端经压力泵与机械搅拌式发酵罐下端的发酵残渣排出口相连。  

作为本发明的进一步改进，还包括一张30×30～500×500mm细滤网，所述细滤网设置于机械搅拌式发酵罐下端的发酵残渣排出口处。

作为本发明的进一步改进，所述陶瓷超滤膜分离装置由1～10只Φ50×5500的管式氧化锆陶瓷超滤膜组成，陶瓷超滤膜的膜孔径为0.05μm～10μm。

作为本发明的进一步改进，所述陶瓷超滤膜分离装置整体设置于不锈钢管内。

作为本发明的进一步改进，所述发酵残渣排出口处设有上法兰和下法兰，所述细滤网设置于上下法兰连接处或者设置于上法兰里。

一种秸秆同步酶解发酵燃料乙醇循环式反应器的反应方法，具体包括以下步骤：

（1）粉碎：将秸秆进行粉碎，过筛成秸秆粉；

（2）生物法预处理：秸秆粉经过白腐真菌进行木质素降解处理；

（3）灭菌：将秸秆粉装入秸秆同步酶解发酵燃料乙醇循环式反应器进行高温

灭菌处理；

（4）双酶糖化、发酵：从发酵罐顶部向下喷淋纤维素酶、木聚糖酶和酿酒酵

母的混合溶液，残糖不再变化时结束发酵；

（5）发酵液过滤：从发酵罐顶部通入无菌压缩空气，含有纤维素酶和酵母的

发酵液经过发酵罐底部的细过滤网初步过滤后，从排液口排出；

（6）陶瓷超滤膜分离：从发酵罐底部排出的发酵液经过压力泵，打入装有氧

化锆陶瓷超滤膜的管道，经过大分子和小分子的分离，小分子乙醇经过陶瓷超滤膜内部和侧边的微孔，通过膜分离装置的下出口排到酒精蒸馏塔中，没有利用完的大分子纤维素酶、木聚糖酶和酵母回流到发酵罐中；

（7）补料双酶糖化、发酵：从进料口补加秸秆粉，在富含纤维素酶、木聚糖

酶和酵母的发酵液的作用下，培养基继续酶解成还原糖，发酵成酒精；

（8）蒸馏：滤液流入酒精蒸馏塔，夹套升温，蒸馏；

（9）排渣：补料发酵后，经过压力泵和陶瓷超滤膜的管道分离，小分子滤液

排到蒸馏塔蒸馏，残留的大分子纤维素酶和酵母回流到发酵罐中，被再次利用；发酵渣经发酵罐底部排出。

作为本发明的进一步改进，所述机械搅拌式发酵罐的通气量稳定在0.1～3                                                ；发酵罐灭菌时保持罐压0.11～0.12MPa，降温时保持罐压0.03～0.05MPa；空气净化装置通气量10～500L/min，压力0.25～0.8MPa；蒸汽产生装置的蒸汽最大用量约为10kg/h，压力0.25～0.85MPa，低压蒸汽压力0.16～0.5 MPa。

本发明的有益效果是：

(1) 该反应器集灭菌、酶解和发酵于一体，既可用于秸秆同步酶解发酵燃料乙醇的生产，也可用于秸秆分步酶解、发酵工艺生产燃料乙醇。大大提高了设备利用率。

(2) 该反应器采用了陶瓷超滤膜分离装置，能实现纤维素酶、酵母的反复循环利用，大大减少酶和酵母的用量，节约生产成本，提高生产效率。

(3) 该反应器不仅可以用于秸秆酶解发酵燃料乙醇的生产，而且还可用于抗生素、氨基酸、酶等生物制品的发酵生产。

附图说明

图1是本发明秸秆同步酶解发酵燃料乙醇循环式反应器的结构示意图。

图中：1、机械搅拌式发酵罐；2、空气净化装置；3、蒸汽产生装置；4、蒸馏塔；5、下位机控制系统；6、上位机监控系统；7、调速器；8、搅拌电机；9、压力泵；10、进料口；11、回料口；12、发酵残渣排出口；13、陶瓷超滤膜分离装置；14、细滤网；15、不锈钢管；16、上法兰；17、下法兰；18、加热水箱；19、蠕动泵；20、夹套；21、pH变送器；22、DO变送器。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明秸秆同步酶解发酵燃料乙醇循环式反应器的结构如图1所示，主要包括：50～100000L机械搅拌式发酵罐1，空气净化装置2，陶瓷超滤膜分离装置13，蒸汽产生装置3、包括加热水箱18的温度控制系统、蒸馏塔4、下位机控制系统5、上位机监控系统6以及配套的管路系统、阀门，传感器与仪表系统、设置于上法兰16和下法兰17的连接处或者设置于上法兰里的不锈钢细滤网14、调速器7与搅拌电机8、0.098MPa～4.0MPa压力泵9、蠕动泵19、机械搅拌式发酵罐1外壁处的夹套20、pH变送器21和DO变送器22等。机械搅拌式发酵罐1的上端设有进料口10和回料口11，下端设有发酵残渣排出口12，陶瓷超滤膜分离装置13的上端与机械搅拌式发酵罐1上端的回料口11相连，下端与机械搅拌式发酵罐1下端的发酵残渣排出口12相连。

本发明公开的循环式反应器在发酵罐底部采用了一张30×30mm～500×500mm不锈钢细滤网对发酵液进行初滤，通过0.098MPa～4.0MPa压力泵、打入Φ50×5500mm管式氧化锆陶瓷超滤膜装置过滤，该超滤膜具有从发酵液中截留酵母细胞和大分子的能力，小分子乙醇和发酵液通过陶瓷超滤膜进入酒精蒸馏塔中，截留的大分子纤维素酶、木聚糖酶和酵母回流到发酵罐中继续使用。该超滤膜膜孔径要求为0.05～10μm，压力要求保持在0.05～0.5MPa。陶瓷超滤膜分离管13整体设置于不锈钢管15内。

不锈钢细滤网安装于发酵罐底部发酵残渣排出口上法兰16和下法兰17连接处的中间或者安装在下上法兰的上法兰16里，便于拆卸、清洗和更换。氧化锆陶瓷超滤膜装置直接放置于不锈钢管内，转动不锈钢管上部阀门，可以取出或者放置陶瓷超滤膜。

本发明公开的机械搅拌式发酵罐的通气量应该稳定在0.1～3。发酵罐灭菌时保持罐压0.11～0.12MPa，降温时保持罐压0.03～0.05MPa；空气净化系统要求通气量10～500L/min，压力0.25～0.8MPa。蒸汽产生系统要求蒸汽最大用量（灭菌用）约为10kg/h，压力0.25～0.85MPa，低压蒸汽压力（净化用）0.16～0.5 MPa。

发酵滤液流入酒精蒸馏塔后，夹套升温，维持温度为85～90℃，蒸馏出酒精。

秸秆经过预处理、灭菌处理、双酶酶解发酵、发酵液与酒精经过超滤膜分离、发酵液回收利用、酒精蒸馏、补料再次酶解发酵，膜分离、发酵液回收再利用、酒精再蒸馏、排残渣，循环生产。该方法可使得富含纤维素酶和酵母的菌液循环利用，减少纤维素酶和酵母的用量，降低生产成本，提高乙醇得率。发酵后的废渣还可以经过再处理，生产成畜牧业所需的蛋白饲料。

为了进一步阐述本发明的技术方案所涉及的材料及工艺，给出了以下实施例，但是这些实施例不以任何形式限制本发明的范围。

实施例1：

(1) 粉碎：将新鲜的高粱秸秆清洗后，用铡草机切割或用锤式粉碎机进行粉碎，过筛成40mm的秸秆粉，含水率控制在 55%以下。

(2) 生物法预处理：高粱秸秆粉经过白腐真菌进行木质素降解处理。

(3) 灭菌：将高粱秸秆粉装入循环式一体化反应器进行高温灭菌，121℃，30min灭菌处理。

 (4) 双酶糖化、发酵：从发酵罐顶部向下喷淋纤维素酶、木聚糖酶和酿酒酵母的混合溶液，活性为1000IU/g的纤维素酶的加入量为秸秆重量的1.5%，活性为60亿/g的酿酒酵母加入量为秸秆重量的1%，水的加入量为秸秆粉重量的2.5倍，酶解、发酵温度控制在37℃，pH为4.5，搅拌转速控制在30rpm；酶解发酵总时间2.5天，残糖不再变化时结束发酵。

(5) 发酵液过滤：从发酵罐顶部通入无菌压缩空气，含有纤维素酶和酵母的发酵液经过发酵罐底部的细过滤网初步过滤后，从排液口排出；

(6) 陶瓷超滤膜分离：从发酵罐底部排出的发酵液经过压力泵，打入装有氧化锆陶瓷超滤膜的管道，经过大分子和小分子的分离，小分子乙醇经过陶瓷超滤膜内部和侧边的微孔，通过膜分离装置的下出口排到酒精蒸馏塔中，没有利用完的大分子纤维素酶、木聚糖酶和酵母回流到发酵罐中。

(7) 补料双酶糖化、发酵：从进料口补加一定量的秸秆粉，在富含纤维素酶、木聚糖酶和酵母的发酵液的作用下，培养基继续酶解成还原糖，发酵成酒精。

(8) 蒸馏：滤液流入酒精蒸馏塔，夹套升温，温度为88℃，蒸馏，乙醇得率达8.5%。

(9) 排渣：补料发酵2.5天后，经过压力泵和陶瓷超滤膜的管道分离后，小分子滤液排到蒸馏塔蒸馏，残留的大分子纤维素酶和酵母回流到发酵罐中，可以再次利用。发酵渣经发酵罐底部排出。

实施例2：

(1) 粉碎：将新鲜的玉米秸秆清洗后，用铡草机切割或用锤式粉碎机进行粉碎，过筛成30mm的秸秆粉，含水率控制在 50%。

(2) 生物法预处理：玉米秸秆粉经过白腐真菌进行木质素降解处理。

(3) 灭菌：将玉米秸秆粉装入循环式一体化反应器进行高温灭菌，121℃，30min灭菌处理。

(4) 双酶糖化、发酵：从发酵罐顶部向下喷淋纤维素酶、木聚糖酶和酿酒酵母的混合溶液，活性为1000IU/g的纤维素酶的加入量为秸秆重量的2%，活性为80亿/g的酿酒酵母加入量为秸秆重量的0.8%，水的加入量为秸秆粉重量的2.5倍，酶解、发酵温度控制在38℃，pH为4.5，搅拌转速控制在40rpm；酶解发酵总时间3天，残糖不再变化时结束发酵。

(5) 发酵液过滤：从发酵罐顶部通入无菌压缩空气，含有纤维素酶和酵母的发酵液经过发酵罐底部的过滤网初步过滤后，从排液口排出；

(6) 陶瓷超滤膜分离：从发酵罐底部排出的发酵液经过压力泵，打入装有氧化锆陶瓷超滤膜的管道，经过大分子和小分子的分离，小分子乙醇经过陶瓷超滤膜内部和侧边的微孔,通过膜分离装置的下出口排到酒精蒸馏塔中，没有利用完的大分子纤维素酶、木聚糖酶和酵母回流到发酵罐中。

(7) 补料双酶糖化、发酵：从进料口补加一定量的秸秆粉，在富含纤维素酶、木聚糖酶和酵母的发酵液的作用下，培养基继续酶解成还原糖，发酵成酒精。

(8) 蒸馏：滤液流入酒精蒸馏塔，夹套升温，温度为88℃，蒸馏，乙醇得率7.8%。

(9) 排渣：补料发酵3天后，经过压力泵和陶瓷超滤膜的管道分离后，小分子滤液排到蒸馏塔蒸馏，残留的大分子纤维素酶和酵母回流到发酵罐中，可以再次利用。发酵渣经发酵罐底部排出。

实施例3：

(1) 粉碎：将新鲜的水稻秸秆清洗后，用铡草机切割或用锤式粉碎机进行粉碎，过筛成30mm的秸秆粉，含水率控制在 53%。

(2) 生物法预处理：水稻秸秆粉经过白腐真菌进行木质素降解处理。

(3) 灭菌：将水稻秸秆粉装入循环式一体化反应器进行高温灭菌，121℃，30min灭菌处理。

 (4) 双酶糖化、发酵：从发酵罐顶部向下喷淋纤维素酶、木聚糖酶和酿酒酵母的混合溶液，活性为1000IU/g的纤维素酶的加入量为秸秆重量的2%，活性为80亿/g的酿酒酵母加入量为秸秆重量的1%，水的加入量为秸秆粉重量的2倍，酶解、发酵温度控制在36℃，pH为4.5，搅拌转速控制在30rpm；酶解发酵总时间3天，残糖不再变化时结束发酵。

(5) 发酵液过滤：从发酵罐顶部通入无菌压缩空气，含有纤维素酶和酵母的发酵液经过发酵罐底部的过滤网初步过滤后，从排液口排出；

(6) 陶瓷超滤膜分离：从发酵罐底部排出的发酵液经过压力泵，打入装有氧化锆陶瓷超滤膜的管道，经过大分子和小分子的分离，小分子乙醇经过陶瓷超滤膜内部和侧边的微孔,通过膜分离装置的下出口排到酒精蒸馏塔中，没有利用完的大分子纤维素酶、木聚糖酶和酵母回流到发酵罐中。

(7) 补料双酶糖化、发酵：从进料口补加一定量的秸秆粉，在富含纤维素酶、木聚糖酶和酵母的发酵液的作用下，培养基继续酶解成还原糖，发酵成酒精。

(8) 蒸馏：滤液流入酒精蒸馏塔，夹套升温，温度为90℃，蒸馏，乙醇得率7.5%。

(9) 排渣：补料发酵3天后，经过压力泵和陶瓷超滤膜的管道分离后，小分子滤液排到蒸馏塔蒸馏，残留的大分子纤维素酶和酵母回流到发酵罐中，可以再次利用。发酵渣经发酵罐底部排出。

本发明具体实施例中发酵液循环利用了两次，但不局限于两次，可以反复使用。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。