专利名称：基于渗透汽化膜的乙醇发酵与分离耦合的系统装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种乙醇生产装置，特别是乙醇发酵和分离耦合的系统装置。
背景技术：
燃料乙醇是一种新型清洁燃料，是可再生能源开发利用的重要方向。燃料乙醇可 以用玉米、小麦、甘蔗、木薯、红薯、高粱、甜菜等作物通过生物发酵方式来生产，也可以利用 植物纤维经过预处理、无机酸或纤维素酶水解再通过生物发酵方式生产。植物纤维生产的生产量大，不与粮食等作物争夺资源，是燃料乙醇的理想原料。纤 维素生产乙醇工艺一般包括4个过程即原料的预处理、酶水解、发酵和乙醇分离。纤维素的预处理方法包括物理法、化学法、物理化学法以及生物法等。为了破坏 木质纤维素中的纤维结构，预处理过程或多或少地会形成一些抑制纤维素水解和乙醇发酵 过程的副产物各种有机弱酸(如乙酸和甲酸)、呋喃衍生物(如糠醛和羟甲基糠醛)和苯 系化合物等。因此，木质纤维素预处理后一般需要一个纤维素残渣的水洗或脱毒过程，用来 去除纤维素残渣中的各种抑制物组分，提高下一步酶解和发酵的效率。水洗和脱毒过程使 得整个工艺复杂化，增加了水的用量和能耗，以及后续水处理的难度，提高了乙醇的生产成 本。CN200710130936. 6公开了一种提高生物质发酵强度的乙醇原位分离方法，将渗透 汽化膜组件置于发酵罐中直接与发酵过程耦合，通过渗透汽化膜将发酵生成的乙醇直接在 发酵罐中原位分离并不断移去，使乙醇发酵过程中的反馈抑制作用被打破，提高生物质的 发酵效率。CN200810020356.6提供了一种发酵和渗透汽化耦合生产乙醇的工艺。通过设置 在发酵罐底部的滤膜将发酵罐中的菌体与发酵清液分开，发酵清液通过泵输送到渗透汽化 膜的分离器，并通过渗余液的循环来降低发酵罐底部的堵塞。
发明内容本实用新型提供一种基于渗透汽化膜的乙醇发酵与分离耦合的系统装置，可以在 实现发酵和初步分离的同时，简化纤维素预处理过程，解决了菌体滤膜堵塞影响装置的连 续稳定运转等问题。本实用新型基于渗透汽化膜的乙醇发酵与分离耦合的系统装置包括发酵单元、 微滤膜过滤单元和渗透汽化膜分离单元。微滤膜过滤单元设置并列的两组及切换操作的管 路和阀门，两组微滤膜过滤单元分别与发酵单元发酵液出口管道相通，两组微滤膜过滤单 元的出口分别通过管道与渗透汽化膜分离单元入口连接，两组微滤膜过滤单元分别设置清 洗管路，清洗管路与渗透汽化膜分离单元的渗余液出口相连，渗透汽化膜分离单元的渗透 气经冷凝后收集为浓缩的乙醇溶液。本实用新型中，发酵单元可以是本领域常规的发酵反应器，如斜底发酵罐、锥形发 酵罐、蝶形发酵罐等，或者不同结构发酵罐的组合。本实用新型中，微滤膜过滤单元为全封闭微滤膜组件，分成并列两组，通过每组微滤膜过滤单元入口和出口设置的阀门进行切换操作，一组进行过滤的同时，另一组利用渗 余液进行微滤膜清洗操作，保证了装置的稳定连续运转。微滤膜可以是管式膜、平板膜或中 空纤维膜等任意现有产品，材质可以是有机膜或无机膜，膜的孔径为0. I-IOym0设置微滤 膜过滤单元的浓缩菌体悬浮液返回到发酵罐的管路，微滤膜起到截留乙醇发酵菌的作用， 经过浓缩的菌体悬浮液返回到发酵罐，而发酵清液则进入到渗透汽化膜分离单元的储罐 中。本实用新型中，渗透汽化膜分离单元按物料流动方向依次包括由管路连接的发酵 清液储罐、泵、渗透汽化装置、冷凝装置、乙醇浓缩液储罐和真空泵等设备。渗透汽化装置中 设置渗透汽化膜，渗透汽化膜将渗透汽化装置分隔为上游侧和下游侧两个室，上游侧为液 相室，下游侧为汽相室。汽相室与冷凝装置和真空系统依次连接，冷凝的得到的液相为浓缩 的乙醇溶液进入乙醇浓缩液储罐。由上一单元进入到发酵液储罐的发酵清液在储罐中经过 加热器加热到30-70°C后通过泵打入到渗透汽化装置，进入液相室，液相室渗余液通过管路 循环至微滤膜过滤单元。渗透汽化膜对发酵清液中的乙醇和发酵抑制物如乙酸、甲酸和糠 醛等组分有选择通过性，这些有机分子溶解吸附于渗透汽化膜的表面，在渗透汽化膜的化 学位梯度作用下优先扩散通过，使上游侧发酵清液组成发生改变。通过膜渗透到下侧的组 分，由于其蒸汽分压小于其饱和蒸汽压而在膜表面汽化，随后进入冷凝系统，蒸汽冷凝下来 即得渗透产物乙醇浓缩液进入到储罐中。整个过程的推动力是渗透汽化膜两侧的渗透组 分的分压差，移走渗透汽化膜下游侧的气相并冷凝收集，可以维持上下游一定的传质推动 力。也可以用惰性气体，如发酵产生的(X)2吹扫的方式代替真空系统，惰性气体在经过冷凝 回收透过组分后可循环使用。通过渗透汽化膜分离浓缩得到的乙醇浓缩液的乙醇浓度为 40% -60% (质量)，进一步经过精馏和脱水即可得到无水乙醇。使用的渗透膜可以是现有技术中可以选择性优先渗透乙醇和乙酸、甲酸和糠醛等 组分的渗透膜，如CN99112885. 0公开的有机物优先透过渗透汽化膜，CN200810060981. 3公 开的分离醇水体系的渗透汽化膜等。本实用新型中，其它的技术内容，如物料的输送泵、物料储罐等可以按本领域常规 内容设计确定，具体如设置发酵液输送泵和发酵清液输送泵等。本实有新型通过利用一种选择性透过乙醇和发酵抑制物如乙酸、甲酸和糠醛等组 分的渗透汽化膜实现了乙醇的原位分离发酵，同时去除发酵清液中的各种弱酸、呋喃衍生 物和苯系化合物等抑制物，使体系中的菌体密度较分批培养有显著的提高，解除产物乙醇 和各种抑制物对发酵菌种的抑制作用，最终提高乙醇的生产率。利用从渗透汽化膜返回的 发酵清液对微滤膜进行反冲洗，可以缓解因为膜堵塞造成的体系的效率下降，实现装置的 连续运行。本实用新型具有简单易行、乙醇产率高等优点，可以广泛用于纤维乙醇生产过 程。
图1为本实用新型基于渗透汽化膜的纤维乙醇发酵与分离耦合系统装置构成示 意图。其中11-发酵罐，121-第一组微滤膜过滤单元，122-第二组微滤膜过滤单元， 13-发酵清液储罐，14-渗透汽化装置，15-冷凝装置，16-乙醇浓缩液储罐，17-真空泵，21-第一组微滤膜过滤单元入口阀，22-第二组微滤膜过滤单元入口阀，23-第一组微滤膜 过滤单元出口阀，24-第二组微滤膜过滤单元出口阀，25-第一组微滤膜过滤单元洗涤液 入口阀，26-第二组微滤膜过滤单元洗涤液入口阀，27-外排液排放阀，31-发酵液输送泵， 32-发酵清液输送泵，41-发酵补料，42-外排液。
具体实施方式
乙醇发酵菌种包括各种可以把葡萄糖或/和木糖发酵生成乙醇的菌株。葡萄糖和 木糖可以分开单独发酵，也可同时共发酵。发酵过程中加以加入杂菌抑制剂，如可以是一切 抑制细菌和霉菌生长的抗生素或防腐剂，优选青霉素。本实用新型中，发酵单元采用的发酵罐为现有乙醇发酵工厂成熟工艺的带外循环 换热器的搅拌发酵罐，或进一步优化改进的发酵罐。乙醇发酵菌株的营养物质包括碳源、氮 源和磷源。乙醇发酵的底物即可当作微生物生长的碳源，不必额外加入。氮源可以是一切 乙醇发酵菌株可以直接利用的氨态氮和有机氮，如硫酸铵，尿素和酵母膏等，优选尿素，发 酵液中尿素加入量为0.01%-0. 1% (质量)。磷源可以是一切乙醇发酵菌株可以直接利用 的含磷化合物，如磷酸氢二钾和磷酸铵等，优选磷酸二氢钾，发酵液中磷酸二氢钾的加入量 为0.005%-0.05% (质量)。抑菌剂采用青霉素，青霉素加入量为发酵液的10-100 μ g/g。本实用新型采用专一性稍差，能够选择性透过有机物，包括醇类、有机酸类和苯系 化合物等的渗透汽化膜，有利的降低了产物乙醇的反馈抑制和各种副产物对发酵的抑制作 用，简化原料的预处理过程，提高了发酵效率。如图1所示，木质纤维素的水解液从发酵罐的打入到发酵罐11，水解液中的葡萄 糖或/和木糖被酵母菌发酵生成乙醇，发酵罐间歇搅拌，搅拌速率30-100r/min，搅拌频率 为每隔2- 搅拌30-60min。当发酵液中的乙醇浓度达到3%-5% (质量)时，关闭外排液排放阀27，开启第一 组微滤膜过滤单元入口阀21、第一组微滤膜过滤单元出口阀23和第二组微滤膜过滤单元 洗涤液入口阀沈，关闭第二组微滤膜过滤单元入口阀22、第二组微滤膜过滤单元出口阀M 和第一组微滤膜过滤单元洗涤液入口阀25。开启发酵液输送泵31，把发酵菌体悬浮液打入 到第一组微滤膜过滤单元121，经过浓缩的菌体悬浮液直接打回到发酵罐，过滤后的清液进 入到发酵清液储罐13中。开启发酵清液输送泵32，把发酵清液储罐中含3%-5% (质量) 乙醇的发酵清液加热到30-70°C，打入到渗透汽化装置14液相室中，同时打开真空泵17，产 物乙醇和抑制物乙酸、甲酸和糠醛等有机物在渗透汽化膜的化学位梯度作用下扩散到气相 室一侧，在真空系统的作用下汽化，并进入到冷凝装置15，蒸汽冷凝产物进入到乙醇浓缩液 储罐16。液相室中的发酵清液大部分水相和少量尚未渗透到气相室去的有机物在发酵清液 输送泵32的驱动下，进入到第二组微滤膜过滤单元122，对第二组微滤膜过滤单元122进行 反冲洗，然以后回到发酵罐中。当第一组微滤膜过滤单元121的通过效率开始下降时，关闭第一组微滤膜过滤单 元入口阀21、第一组微滤膜过滤单元出口阀23和第二组微滤膜过滤单元洗涤液入口阀沈， 开启第二组微滤膜过滤单元入口阀22、第二组微滤膜过滤单元出口阀M和第一组微滤膜 过滤单元洗涤液入口阀25，把发酵菌体悬浮液打入到第一组微滤膜过滤单元122，经过浓 缩的菌体悬浮液直接打回到发酵罐，过滤后的清液进入到发酵清液储罐13中，实现切换操作，按照一定的频率分别对微滤膜过滤单元进行使用和反冲洗，实现装置的连续稳定运行。 进入到储罐中的乙醇浓缩液的乙醇浓度为40%-60% (质量)，进一步经过精馏和 脱水即可得到无水乙醇。
权利要求1.一种基于渗透汽化膜的乙醇发酵与分离耦合的系统装置，包括发酵单元、微滤膜过 滤单元和渗透汽化膜分离单元，其特征在于微滤膜过滤单元设置并列的两组及切换操作 的管路和阀门，两组微滤膜过滤单元分别与发酵单元发酵液出口管道相通，两组微滤膜过 滤单元的出口分别通过管道与渗透汽化膜分离单元入口连接，两组微滤膜过滤单元分别设 置清洗管路，清洗管路与渗透汽化膜分离单元的渗余液出口相连，渗透汽化膜分离单元的 渗透气经冷凝后收集为浓缩的乙醇溶液。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于发酵单元的发酵反应器为斜底发酵罐、锥 形发酵罐或蝶形发酵罐一种或组合。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于微滤膜过滤单元为全封闭微滤膜组 件，微滤膜是管式膜、平板膜或中空纤维膜，微滤膜材质是有机膜或无机膜，膜的孔径为 0.1-10 μm。
4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于设置微滤膜过滤单元的浓缩菌体悬浮液 返回到发酵罐的管路。
5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于渗透汽化膜分离单元按物料流动方向依 次包括由管路连接的发酵清液储罐、泵、渗透汽化装置、冷凝装置、乙醇浓缩液储罐和真空泵。
6.按照权利要求5所述的装置，其特征在于渗透汽化装置中设置渗透汽化膜，渗透汽 化膜将渗透汽化装置分隔为上游侧和下游侧两个室，上游侧为液相室，下游侧为汽相室，汽 相室与冷凝装置和真空系统依次连接，冷凝的得到的液相为浓缩的乙醇溶液进入乙醇浓缩 液储罐，液相室渗余液通过管路循环至微滤膜过滤单元。
7.按照权利要求6所述的装置，其特征在于渗透汽化膜对发酵清液中的乙醇和发酵 抑制物乙酸、甲酸和糠醛组分有选择通过性。
专利摘要本实用新型公开了一种基于渗透汽化膜的乙醇发酵与分离耦合的系统装置，包括发酵单元、微滤膜过滤单元和渗透汽化膜分离单元，微滤膜过滤单元设置并列的两组及切换操作的管路和阀门，两组微滤膜过滤单元分别与发酵单元发酵液出口管道相通，两组微滤膜过滤单元的出口分别通过管道与渗透汽化膜分离单元入口连接，两组微滤膜过滤单元分别设置清洗管路，清洗管路与渗透汽化膜分离单元的渗余液出口相连，渗透汽化膜分离单元的渗透气经冷凝后收集为浓缩的乙醇溶液。与现有技术相比，本实用新型简化纤维素预处理过程，解决了菌体滤膜堵塞影响装置的连续稳定运转等问题。
文档编号B01D61/58GK201873680SQ20102025340
公开日2011年6月22日 申请日期2010年7月7日 优先权日2010年7月7日
发明者佟明友, 张全, 王鑫, 黎元生 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院