一种生产燃料乙醇的系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料乙醇生产装置与方法，特别是一种发酵与蒸汽渗透耦合生产燃料乙醇的系统与方法。
【背景技术】
[0002]近年来，全球范围内面临严重的能源危机，寻找新型可替代能源已成为世界各国未来能源战略的关键。随着世界石油储量的日益减少，能源危机日渐凸显，燃料乙醇因具有清洁、环保、可再生等优点而深受人们的青睐。燃料乙醇生产工艺大多采用生物发酵法，而在传统发酵工艺中，随着乙醇的不断积累和乙醇浓度的不断增加，乙醇对酵母细胞的抑制作用不断增强，严重制约着燃料乙醇生产能力的提高。在乙醇发酵过程中，及时将产物中的乙醇移除，不但可降低乙醇对酵母的抑制、提高乙醇生产率，而且还有利于降低分离系统能耗，实现乙醇发酵的连续化，大幅提高设备利用率。发酵与分离耦合技术大致有以下4种:
[0003](I)汽提发酵:汽提发酵是将气体通入水中，经气液充分接触，水中溶解的气体和挥发性物质一起穿过气液界面，转移到气相，从而达到脱除目标物的目的。在汽提发酵过程中，需要较高能耗的空气压缩机，同时还要对填料塔进行定期冲洗，增加了操作上的难度；
[0004](2)真空发酵:真空发酵是在真空的条件下，发酵液中的乙醇会不断析出，从而减小了乙醇对酵母的抑制。真空发酵虽然可以移除产物乙醇，削弱抑制效应，但长时间的操作过程中要求系统保持真空状态，比较困难，因此该过程能耗很高；
[0005](3)萃取发酵:萃取发酵是将萃取剂直接加入发酵液中，利用萃取剂将发酵液中的乙醇萃取出来的方法。但是大多萃取剂对细胞生长有毒性和抑制作用；
[0006](4)渗透汽化发酵:渗透汽化技术是以混合物中各组分蒸汽分压的为驱动力，以及分离膜中各组分的扩散和溶解速率的不同来实现分离的过程。渗透汽化在乙醇发酵中应用的很广，具有分离效率高、流程简单、对微生物无毒害等优点，渗透汽化虽然能够从发酵液中及时且连续地分离出乙醇，但也有其缺点:在进料侧容易产生细胞老龄化，聚集无机盐和非挥发性产物，造成膜污染，从而使膜的渗透汽化性能下降，分离效果不佳，膜使用寿命较短，在一定程度上提高了操作成本。
[0007]如申请号为“ 201110251056 ”，名称为“ 一种利用蒸汽渗透耦合技术合成萘普生缩酮中间体的方法”的中国发明专利申请，公开了一种利用蒸汽渗透耦合技术合成萘普生缩酮中间体的方法，将蒸汽渗透膜装置与缩酮反应过程耦合，采用蒸汽渗透膜分离技术脱除萘普生缩酮中间体合成反应体系中的副产物水，从而打破反应平衡，提高反应的转化率。但该方法中，蒸汽渗透膜的下游物料没有尾气回收装置，存在污染环境和产品回收率低等缺点。
[0008]如申请号为“200910148257”，名称为“一种原位分离发酵中易挥发有机物的方法和设备”的中国发明专利申请公开了一种分离发酵产品中易挥发有机物的方法和设备，该方法将发酵与气提/蒸汽渗透过程耦合，实现了易挥发有机物的原位分离。从发酵罐底部的气体分布器通入惰性气体，原位气提出易挥发性的有机物，进入蒸汽渗透装置，以实现水和有机物的分离，脱水后的混合气进入冷凝器回收易挥发的有机物，不凝气和含有少量有机物的水蒸气组分可以循环利用。但该方法与设备存在流程复杂，设备投资大，二氧化碳无法回收等缺点。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是提供一种高效、节能、低碳、环保的燃料乙醇生产装置与方法，以实现燃料乙醇的连续生产，并具有绿色、环保、投资小、二氧化碳回收率高等优点。
[0010]为了实现上述目的，本发明提供了一种生产燃料乙醇的系统，其中，采用发酵与膜分离親合技术，包括:
[0011]发酵装置，包括发酵罐，用于生物发酵法生产燃料乙醇；
[0012]膜分离装置，进一步包括:
[0013]膜组件，通过发酵管路与所述发酵装置连接，所述发酵管路上设置有第一增压器和第一压力调节阀，使所述膜组件的渗余侧保持恒定正压力，所述膜组件采用优先透醇膜；
[0014]真空喷射器，与所述膜组件连接，利用所述发酵装置产生的二氧化碳为循环载气，通过真空喷射提供真空，使所述膜组件的渗透侧为负压；
[0015]气液分离装置，包括气液分离罐，分别通过分离管路和第一气体管路与所述真空喷射器连接，通过第二气体管路与一气体收集器连接，通过液体管路与一精馏装置连接，所述真空喷射器排出的混合物料进入所述气液分离罐后，所述混合物料中的一部分气相物料经第一气体管路进入所述真空喷射器，所述混合物料中的另一部分气相物料经第二气体管路进入所述气体收集器，所述混合物料中的液相物料进入所述精馏装置。
[0016]上述的生产燃料乙醇的系统，其中，所述第一气体管路上设置有干燥器、第二增压器和第二压力调节阀。
[0017]上述的生产燃料乙醇的系统，其中，所述分离管路上设置有冷凝器。
[0018]上述的生产燃料乙醇的系统，其中，所述第二气体管路上设置有第三增压器、第三压力调节阀和冷凝器。
[0019]上述的生产燃料乙醇的系统，其中，所述第一气体管路上还设置有第一止回阀，所述第一止回阀位于所述第二增压器和所述干燥器之间。
[0020]上述的生产燃料乙醇的系统，其中，所述第二气体管路上还设置有第二止回阀，所述第二止回阀位于所述冷凝器与所述气体收集器之间。
[0021]上述的生产燃料乙醇的系统，其中，所述膜组件为平板式膜组件、板框膜式组件、卷式膜组件或中空纤维式膜组件。
[0022]上述的生产燃料乙醇的系统，其中，所述发酵罐内位于发酵液上方安装有丝网，用来捕获上升气流中夹带的液体。
[0023]上述的生产燃料乙醇的系统，其中，所述发酵罐底部设置有气体分布器，用于促使气液充分接触以达到气液平衡。
[0024]为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种生产燃料乙醇的方法，其中，采用上述的生产燃料乙醇的系统，包括如下步骤:
[0025]S100、将配好的发酵液加入发酵罐中，各成分含量依次为:葡萄糖200g/L?400g/L，蛋白胨5g/L?20g/L，酵母粉3g/L?12g/L，氯化钠2g/L?8g/L，磷酸二氢钾0.1Og/L ?0.6g/L，硫酸钱 0.05g/L ?0.8g/L，硫酸镁 0.2g/L ?0.8g/L ；
[0026]S200、启动自动灭菌程序开始灭菌，灭菌温度100°C?121°C，灭菌时间30min?60min ；
[0027]S300、灭菌完毕后，设定发酵罐温度为35°C，搅拌转速100r/min?800r/min ;当发酵罐温度稳定在35°C时，称量适量安琪酵母，复水活化15min?20min后，投入发酵罐中开始发酵；
[0028]S400、发酵预定时间后，设定第一压力调节阀的压力为0.1MPa?0.2MPa，开启第一增压器，当发酵罐底部有气泡均勾鼓出时，持续5min?1min ；
[0029]S500、开启第二增压器，设定第二压力调节阀的压力为0.3MPa?0.5MPa，真空喷射器排出的混合物料经第一冷凝器后进入气液分离罐；
[0030]S600、气液分离罐的的液相物料去精馏装置，气相物料经干燥器脱水后，一部分经第一止回阀后进入第二增压器，另一部分经第三压力调节阀，使压力保持在0.2MPa?
0.3MPa，依次经第三增压器、第二冷凝器和第二止回阀后储存于气体收集器。
[0031]本发明的技术效果在于:
[0032]本发明利用发酵和蒸汽渗透耦合连续生产燃料乙醇的装置和方法，本装置可制得乙醇含量为50%?65% (V)的产品，进一步精馏可得到燃料乙醇产品，并可回收发酵产生的二氧化碳。本发明利用发酵产生的二氧化碳为循环载气，通过真空喷射原理为膜分离下游提供真空，同时在膜分离装置的上游设有压力调节阀和增压器，使膜分离装置上游保持一定正压，提高了分离膜两侧的压差，使膜分离效率显著提高。由于发酵产物中的乙醇被及时移除，消除了产物抑制作用，有利于发酵进行，提高了乙醇产率，降低了燃料乙醇生产成本，提高了企业经济效益。本发明可与流加同步进行，能实现乙醇发酵长期稳定运行，具有设备投资省、操作方便、能耗低、无污染、产品附加值高等优点。
[0033]以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
【附图说明】
[0034]图1为本发明一实施例的生产燃料乙醇的系统结构示意图；
[0035]图2为本发明一实施例的方法流程图。
[0036]其中，附图标记
[0037]I发酵罐
[0038]2 丝网
[0039]3第一压力调节阀
[0040]4膜组件
[0041]5第一增压器
[0042]6第二增压器
[0043]7第二压力调节阀
[0044]8真空喷射器
[0045]9第一冷凝器
[0046]10气液分离罐
[0047]11干燥器
[0048]12第一止回阀
[0049]13第三压力调节阀
[0050]14第三增压器
[0051]15第二冷凝器
[0052]16第二止回阀
[0053]17气体收集器
[0054]18精馏装置
[0055]19气体分布器
[0056]S100-S600 步骤
【具体实施方式】
[0057]下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述:
[0058]参见图1，图1为本发明一实施例的生产燃料乙醇的系统结构示意图。本发明的生产燃料乙醇的系统，采用发酵与膜分离耦合技术，包括:
[0059]发酵装置，包括发酵罐1，用于生物发酵法生产燃料乙醇，所述发酵罐I内位于发酵液上方安装有不锈钢丝网2，用来捕获上升气流中夹带的液体，所述发酵罐I底部设置有气体分布器19，用于促使气液充分接触以达到气液平衡，所述发酵罐I优选为全自控发酵罐，具有灭菌、流加、搅拌、控温等功能，操作压力为常压；
[0060]膜分离装置，进一步包括:
[0061]膜组件4，通过发酵管路与所述发酵装置连接，所述发酵管路上设置有第一增压器5和第一压力调节阀3，使所述膜组件4的渗余侧保持恒定正压力，渗透侧为负压，所述膜组件4采用优先透醇膜，如聚二甲基硅氧烷复合膜，所述膜组件4可为平板式膜组件、板框膜式组件、卷式膜组件或中空纤维式膜组件；
[0062]真空喷射器8，为防腐材质，与所述膜组件4连接，利用所述发酵装置产生的二氧化碳为循环载气，通过真空喷射提供真空环境，使所述膜组件4的渗透侧为负压；
[0063]气液分离装置，包括气液分离罐10，分别通过分离管路和第一气体管