糖质原料生产乙醇发酵/蒸馏一体化工艺及装置

摘要

本发明公开了属于生物质液体燃料生产技术领域的一种基于糖质原料生产燃料乙醇的一体化工艺及装置。其工艺过程为：将糖质作物粉碎后进入固态发酵、乙醇气提和糟渣气流干燥一体化装置；将粉碎料与高产乙醇酵母菌液混合，在厌氧环境和强化热质传递条件下完成固体发酵；然后通过气提分离乙醇；糟渣在发酵罐的筒体回转过程中经气流干燥后出罐。本发明简化了固体发酵生产乙醇的工艺流程，实现高度技术集成，并能最大限度转化粉碎料中可发酵糖，高效提取固体发酵料中的乙醇；利用烟道气、过热蒸汽(CO2或干热空气)分离乙醇和利用烟道气(或干热空气)干燥糟渣，节省物料输送时间和降低能耗，体现了固态发酵法生产燃料乙醇高净能比和低环境负荷优势。

说明书

技术领域

本发明属于生物质液体燃料生产技术领域，特别涉及基于糖质作物(甜高粱、甘蔗、甜菜、菊芋等)固态发酵、醇-渣气提和糟渣气流干燥生产燃料乙醇的一体化工艺及装置。

背景技术

国际公认唯有生物燃料能在运输领域大规模替代传统化石燃料。现阶段世界上燃料乙醇产量最大，也是发展生物质能源的首选产品。粮食乙醇不适合我国国情，而能够代替粮食生产乙醇的农林生物质资源却十分丰富，年保有量达7亿吨，但是纤维乙醇转化技术目前仍存在技术瓶颈，短期内难以真正实现商业化。为落实“不争粮、不争地”的产业发展原则，我国正积极开发非粮原料(甜高粱、甘蔗、木薯等)生产燃料乙醇技术。

甜高粱以其高含糖量的优点成为国际首选的能源作物，在许多国家甜高粱乙醇生产已得到了广泛认可。虽然甜高粱可以大面积种植，但是将甜高粱转化为乙醇的技术却一直没有实现商业化生产。现在首要的目标在于技术经济性，即尽可能降低生产成本使甜高粱乙醇与汽油价格具有竞争力。

目前甜高粱茎秆生产乙醇主要采用固态和液态两种发酵方式。液态发酵法通常是将鲜甜高粱茎秆多级压榨提取汁液并进行液态发酵。该方法的缺点是秆渣中可发酵糖分未能加以利用；同时，糖汁浓缩灭菌储存需消耗大量蒸汽；糖浆加水稀释进行乙醇发酵，废水量大、能耗高而产率低，这些问题使得榨汁法工业化发酵生产乙醇比较困难。

固态发酵法生产燃料乙醇是将甜高粱杆粉碎后直接发酵，从根本上克服了液态发酵的先天性不足，降低了对原料预处理强度的要求，并显著提高了乙醇的产率。但由于传统固态发酵法采用“酵池式”酿酒工艺，发酵周期较长；由于发酵产物为固态料，需采用“甑桶”馏酒和过汽冷凝技术并只能间歇操作，劳动强度大；得到的70％(v/v)以下不同酒度的粗醇溶液，需要大量的加热蒸汽和冷却介质。这些问题致使生产成本居高不下，无法实现商业化大规模运作。更为甚者，传统的固体蒸馏工艺在理论与机理方面都没有深入的研究。

在之前发明《一种基于甜高粱茎秆固体发酵制备乙醇的方法及系统》(公开号：CN101220378)和《一种基于甜高粱秆固态发酵料分离乙醇的方法及系统》(公开号：CN101085995)的基础上，本发明对基于糖质作物的固态发酵法生产燃料乙醇的工艺和设备进行了优化整合并实现了高度技术集成，可大幅降低生产成本和节约能耗。

发明内容

本发明的目的是为了从根本上解决当前基于糖质作物的燃料乙醇生产中，液态发酵方式的榨汁预处理能耗高、发酵周期长、环境污染严重等问题和传统固态发酵工艺劳动强度大、效率低、难以实现机械化等缺陷，而提供了一种固态发酵、醇-渣气提和糟渣气流干燥一体化工艺及装置，其特征在于，工艺步骤如下：

(1)动态进料：糖质作物包括甜高粱、甘蔗、甜菜、菊芋，将其茎秆经剥叶破碎后获得丝状粉碎料，粉碎料经皮带输送，凭借推料绞轮、卧式固态发酵罐筒体倾斜回转和抄板升举使粉碎料自动进入卧式固态发酵罐并在发酵罐内最大限度均匀分布；

(2)固态发酵：种子罐中培养好的高产乙醇酵母菌液经菌液排出管、旋转接头、套管流路，借助空气压送入卧式固态发酵罐，由固定于发酵罐筒体上部的菌液喷淋管喷洒，同时使粉碎料转动，实现料-液混合，在厌氧环境和强化热质传递条件下借助高产乙醇酵母菌将可发酵糖分转化为乙醇和CO₂，并及时将CO₂经CO₂排气口排出以强化发酵过程；

(3)醇-渣分离：固态发酵结束后在同一装置内，经旋转接头、套管流路引入干热空气或过热蒸汽，在发酵罐筒体回转和抄板作用下与发酵料高效接触，强化热质传递，通过气提使发酵料中乙醇转入气(汽)相，乙醇气经固态发酵罐末端收集组件作为气相进料送往精馏塔制备95.5％(v/v)的乙醇，或经螺旋板冷凝器和粗醇收集装置获得平均30～40％(v/v)粗醇溶液；

(4)糟渣气流干燥：气提分离乙醇后，将卧式固态发酵罐作为气流干燥设备，经旋转接头、套管流路将烟道气或干热空气沿轴向喷入，通过发酵罐筒体回转和抄板升举使糟渣与热介质充分接触，湿热气体通过湿热气体排出口引出，从而实现糟渣快速干燥；

(5)动态出料：水分低于17％的干燥料借助发酵罐筒体回转和抄板自动出罐，由干燥料排出口送往后续造粒单元制备颗草食粒饲料或生物固体燃料。

所述固态发酵、醇-渣气提和糟渣气流干燥一体化装置包括：粉碎机1，输送皮带3，进料仓4，推料绞轮5，种子罐6，菌液排出管7，卧式固态发酵罐8，抄板9，旋转接头10，套管流路11，菌液喷淋管12，减速电机与电控系统13，干燥料出口14，CO₂排气口15，乙醇收集组件16，螺旋板换热器17，粗醇收集装置18，湿热气体排出口19和，精馏塔20；

其中推料绞轮5的一端与进料仓4相连，另一端与卧式固态发酵罐8的进料口相连；

减速电机与电控系统13驱动卧式固态发酵罐8的筒体转动；

旋转接头10和套管流路11包含多流路，允许菌液、过热蒸汽、干热空气或烟道气在卧式固态发酵罐8转动条件下连续稳定入罐。

本发明的有益效果为：(1)在同一回转固态发酵罐装置内完成固态发酵、醇-渣气提和糟渣气流干燥过程，简化工艺流程，实现高度技术集成，并能最大限度转化粉碎料中可发酵糖，高效提取固体发酵料中的乙醇；(2)借助筒体回转和抄板升举作用，强化物料混合、传热传质，增强菌种迁移性，有效利用可发酵糖分并减少乙醇挥发损失，提高乙醇实际收率；(3)节省物料输送时间和降低能耗，体现固态发酵法生产燃料乙醇高净能比和低环境负荷的优势。

附图说明

图1为糖质原料生产燃料乙醇的一体化工艺流程及装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，所述糖质原料生产燃料乙醇的一体化工艺流程如下：

1.动态进料：将甜高粱茎秆剥叶后经粉碎机1破碎后获得丝状粉碎料2，粉碎料2经输送皮带3输送到进料仓4，凭借推料绞轮5、卧式固态发酵罐8的筒体倾斜回转和抄板9升举使粉碎料2自动进入卧式固态发酵罐8并在发酵罐8内最大限度均匀分布；其中推料绞轮5的一端与进料仓4相连，另一端与卧式固态发酵罐8的进料口相连；减速电机与电控系统13驱动卧式固态发酵罐8的筒体转动；

2.固态发酵：种子罐6中培养好的高产乙醇酵母菌液经菌液排出管7、旋转接头10、套管流路11，借助空气压送入卧式固态发酵罐8，由固定于发酵罐8筒体上部的菌液喷淋管12喷洒，同时使粉碎料2转动，实现料-液混合，在厌氧环境和强化热质传递条件下借助高产乙醇酵母菌将可发酵糖分转化为乙醇和CO₂，并及时将CO₂经CO₂排气口15排出以强化发酵过程；

3.醇-渣分离：固态发酵结束后在同一装置内，经旋转接头10、套管流路11引入干热空气，在发酵罐8的筒体回转和抄板9作用下与发酵料高效接触，强化热质传递，通过气提使发酵料中乙醇转入气(汽)相，乙醇气经固态发酵罐8末端的乙醇收集组件16作为气相进料送往精馏塔20制备95.5％(v/v)的乙醇，或经螺旋板换热器17和粗醇收集装置18获得平均30～40％(v/v)粗醇溶液；

4.糟渣气流干燥：气提分离乙醇后，将卧式固态发酵罐8作为气流干燥设备，经旋转接头10、套管流路11将烟道气沿轴向喷入，通过发酵罐8的筒体回转和抄板9升举使糟渣与热介质充分接触，湿热气体通过湿热气体排出口19引出，从而实现糟渣快速干燥；

5.动态出料：水分低于17％的干燥料借助发酵罐8的筒体回转和抄板9自动出罐，由干燥料出口14送往后续造粒单元制备草食颗粒饲料或生物固体燃料。

实施例1

采用甑桶装置(高度13.7cm，直径15.7cm)，从甜高粱秆固体发酵料中气(汽)提分离乙醇。沿用梯度加料方式对不同量发酵料进行实验，确定了最适添充高度和热介质(干热空气、CO₂和3.5kg/cm²过热蒸汽)流率，酒气(汽)经螺旋板换热器冷凝后收集。例如，在优化工况下，单批加入300～600g发酵料(水分浓度70～85％，乙醇质量浓度5～10％)，以干热空气为载热体，于85～95℃下进行，气提时间为40～80min，气相冷凝液中乙醇体积浓度为15～35％，糟渣中乙醇体积浓度低于0.5％，实际乙醇收率在88～95％范围内。

实施例2

在自主研发的50L卧式转鼓固态发酵/蒸馏一体化装置(直径300mm，长度700mm)中，对发酵料中乙醇连续气(汽)提和糟渣干燥进行了多批次试验，采用套管式旋转接头实现在发酵罐筒体转动过程中气态热介质连续进出。例如，甜高粱秆固体发酵后以热CO₂为气提介质回收乙醇，固态发酵料(水分浓度装填系数为0.3～0.7，流率2～8L/min，温度80～105℃，乙醇蒸汽通过螺旋板高效换热器冷凝，气提时间为90～120min，冷凝液中乙醇体积浓度10～60％，糟渣中乙醇体积浓度低于0.2％，实际乙醇收率85～94％。继续以热CO₂(模拟烟道气)为干燥介质，对糟渣进行动态干燥，经60～180min，固态糟渣中水分浓度低于20％，适合挤压成型用作草食饲料或生物固体燃料。