全棵粉碎双酶发酵提取燃料乙醇的方法

摘要

本发明涉及一种新能源原料领域中的燃料乙醇的提取方法。包括秸秆粉碎、磨浆、调浆、发酵和粗蒸馏、精蒸馏、分子筛提纯工序。其中：粉碎是将甜高梁或甜玉米棵原料分切成15mm长以下的碎段；磨浆过5-15目筛，调浆使浆料的稠稀度调整到干物质浓度在20～25％、酸度pH＝4-5、温度28～30℃的条件下；然后将其引入发酵罐，期间分批次加入酵母、纤维素酶及尿素营养盐进行发酵；发酵后的成熟醪首先进入粗蒸馏，分离出淡乙醇引入精蒸馏，制得浓度95％的食用普级乙醇引入分子筛提取成品燃料乙醇。本发明的全棵粉碎双酶发酵提取燃料乙醇的新方法完全可以借助现有的设备进行配套，采用的工艺设置合理，易于控制，带来的优势明显。

权利要求

1.一种全棵粉碎双酶发酵提取燃料乙醇的方法，包括秸秆粉碎、磨浆、调浆、发酵和粗蒸馏、精蒸馏、分子筛提纯工序，其特征是： 粉碎是将甜高梁或甜玉米棵原料分切成15mm长以下的碎段；磨浆是将粉碎的原料碎段研磨成短细纤维状浆料, 浆料经过5-15目筛振动过滤，滤液送入调浆罐，固体物则返回磨浆工序继续研磨；调浆是将上述滤液加入水,使浆料的稠稀度调整到干物质浓度在20～25%、酸度PH=4-5、温度28～30℃的条件下；然后将其引入发酵罐，期间分批次加入酵母、纤维素酶及尿素营养盐，其加入量占液体总质量比分别为0.03～0.05%的酵母、12～13%的纤维素酶和0.01～0.02%的尿素营养盐，进行发酵；发酵后的成熟醪首先进入粗蒸馏即粗馏塔系，其操作控制指标是塔底温度85-87.5 ℃、塔顶温度62.5-70℃、塔底压力-45～-50kPa、塔顶压力-65～-70KPa，经此工序后分离出淡乙醇和含有固形物的废醪液； 将淡乙醇引入精蒸馏即精馏塔系， 其操作控制指标是塔底温度119-123 ℃、 塔顶温度93-98℃、 塔顶压力0.07-0.10 Mpa、塔底压力0.10-0.12 MPa、进料温度110-116℃、侧线采出温度93-94℃，在此条件下制得浓度95%的食用普级乙醇；食用普级乙醇引入分子筛提纯即分子筛塔系，操作控制指标包括蒸发器的操作压力

0.20～0.35Mpa、出口温度100～125℃，吸附塔吸附过程操作压力0.20～0.35Mpa、进气温度120～145℃,脱附过程操作压力-0.02～-0.05Mpa、出口温度180～230℃，最终提取到浓度大于99.2%的成品燃料乙醇。

2.根据权利要求1所述的全棵粉碎双酶发酵提取燃料乙醇的方法，其特征是：发酵工序中产出的CO2气体,经压缩和净化处理制备成CO2成品；粗蒸馏工序中塔底排出的废醪液经离心分离出湿秸渣和滤清液， 滤清液可以直接引入调浆工序中，也可以引入污水处理装置。

说明书

全棵粉碎双酶发酵提取燃料乙醇的方法

[0001] 技术领域：本发明涉及一种新能源原料领域中的燃料乙醇的提取方法。

[0002] 背景技术：目前以甜高梁杆为原料生产燃料乙醇的方法基本是：将剥掉叶的甜高梁杆先送入切碎机切成5～10厘米左右长的物料，然后进入第一道压榨机，榨出清汁量的50％左右(甜高梁杆中的清汁就是甜高梁杆中水分与糖分的混合物，其量为甜高梁杆的72％左右)，再进入第二道压榨机，又榨出20％左右的清汁。以上两股清汁同流入一个贮罐，然后再打入配料罐，在配料罐中同时加入相应比例的酒精酵母和营养盐，混匀后的物料叫发酵醪，开泵打入发酵罐，发酵成酒精。两次压榨后的湿渣，用作燃料或粗饲料处理。由于湿渣里还含有30％左右的清汁量，这部分清汁中糖分量占总糖量的5％左右，随作燃料或粗饲料低值而去。由上可见，榨汁发酵这种工艺，它的最大问体有二：

[0003] 一是甜高梁杆压榨后的纤维废渣中还残留5％左右的糖分白白损失掉了，增加了燃料乙醇的原料消耗，使吨燃料乙醇耗用甜高梁杆高达23.3吨难以形成产业化。二是甜高梁叶事先剥掉，也没有被充分利用。

[0004] 发明内容：本发明的目的就是针对现有技术存在的问题，提供一种高效、实用，综合利用率高，适用产业化的全棵粉碎双酶发酵提取燃料乙醇的方法。

[0005] 其技术方案是：包括秸秆粉碎、磨浆、调浆、发酵和粗蒸馏、精蒸馏、分子筛提纯工序。其中：粉碎是将甜高梁或甜玉米棵原料分切成15mm长以下的碎段；磨浆是将粉碎的原料碎段研磨成短细纤维状浆料，浆料经过5-15目筛振动过滤，滤液送入调浆罐，固体物则返回磨浆工序继续研磨；调浆是将上述滤液加入水，使浆料的稠稀度调整到干物质浓度在20～25％、酸度PH＝4-5、温度28～30℃的条件下；然后将其引入发酵罐，期间分批次加入酵母、纤维素酶及尿素营养盐，其加入量占液体总质量比分别为0.03～0.05％的酵母、
12～13％的纤维素酶和0.01～0.02％的尿素营养盐，进行发酵；发酵后的成熟醪首先进入粗蒸馏即粗馏塔系，其操作控制指标是塔底温度85-87.5℃、塔顶温度62.5-70℃、塔底压力-45～-50kPa、塔顶压力-65～-70KPa，经此工序后分离出淡乙醇和含有固形物的废醪液；将淡乙醇引入精蒸馏即精馏塔系，其操作控制指标是塔底温度119-123℃、塔顶温度
93-98℃、塔顶压力0.07-0.10Mpa、塔底压力0.10-0.12MPa、进料温度110-116℃、侧线采出温度93-94℃，在此条件下制得浓度95％的食用普级乙醇；食用普级乙醇引入分子筛提纯即分子筛塔系，操作控制指标包括蒸发器的操作压力0.20～0.35Mpa、出口温度100～
125℃，吸附塔吸附过程操作压力0.20～0.35Mpa、进气温度120～145℃，脱附过程操作压力-0.02～-0.05Mpa、出口温度180～230℃，最终提取到浓度大于99.2％的成品燃料乙醇。

[0006] 上述方案还包括：发酵工序中产出的CO2气体，经压缩和净化处理制备成CO2成品；粗蒸馏工序中塔底排出的废醪液经离心分离出湿秸渣和滤清液，滤清液可以直接引入调浆工序中，也可以引入污水处理装置。

[0007] 纤维素酶是一种复合酶系，至少包含纤维素内切酶、外切酶和beta-葡萄糖苷酶，其酶活指标不小于25国际单位。

[0008] 本发明的全棵粉碎双酶发酵提取燃料乙醇的新方法完全可以借助现有的设备进行配套，采用的工艺设置合理，易于控制，带来的明显的优势是：

[0009] 一是浆料发酵使糖分得到全部利用该技术是把甜高梁棵(含叶)全部粉碎成浆料状进行发酵，使其中的糖分得到全部发酵利用，挽回了榨汁发酵工艺残留在纤维废渣中5％左右的糖分损失，减少了原料单耗，大幅度提高原料的产出比。

[0010] 二是双酶工艺除了确保其中糖分有效转化成乙醇，适用纤维素酶使杆、叶中的纤维部分被分解后又发酵成燃料乙醇，使燃料乙醇的收率明显提高，降低生产成本，为实现大型工业化生产提供了可靠的技术支撑。

[0011] 附图说明：附图给出了一种典型实施例的工艺流程图。具体实施方式：

[0012] 实施例1，主要工序包括秸秆粉碎、磨浆、调浆、发酵和粗蒸馏、精蒸馏、分子筛提纯。其中：粉碎是将甜高梁或甜玉米棵原料分切成15mm长以下的碎段；磨浆是将粉碎的原料碎段研磨成短细纤维状浆料，浆料经过10目筛振动过滤，滤液送入调浆罐，固体物则返回磨浆工序继续研磨；调浆是将上述滤液加入水，使浆料的稠稀度调整到干物质浓度在20～25％、酸度PH＝4.5、温度28～30℃的条件下；然后将其引入发酵罐，期间分批次加入酵母、纤维素酶及尿素营养盐，其加入量占液体总质量比分别为0.05％的酵母、13％的纤维素酶和0.012％的尿素营养盐，进行发酵；发酵后的成熟醪首先进入粗蒸馏即粗馏塔系，其操作控制指标是塔底温度87.5℃、塔顶温度62.5℃、塔底压力-48kPa、塔顶压力-65KPa，经此工序后分离出淡乙醇和含有固形物的废醪液；将淡乙醇引入精蒸馏即精馏塔系，其操作控制指标是塔底温度120℃、塔顶温度98℃、塔顶压力0.08Mpa、塔底压力0.12MPa、进料温度115℃、侧线采出温度94℃，在此条件下制得浓度95％的食用普级乙醇；食用普级乙醇引入分子筛提纯即分子筛塔系，操作控制指标包括蒸发器的操作压力0.35Mpa、出口温度
125℃，吸附塔吸附过程操作压力0.35Mpa、进气温度145℃，脱附过程操作压力-0.03Mpa、出口温度200℃，最终提取到浓度大于99.2％的成品燃料乙醇。

[0013] 实施例2，在实施例1的基础上，发酵工序中产出的CO2气体，经压缩和净化处理制备成CO2成品；粗蒸馏工序中塔底排出的废醪液经离心分离出湿秸渣和滤清液，滤清液可以直接引入调浆工序中，也可以引入污水处理装置。

[0014] 上述两个实施例的纤维素酶是一种复合酶系，包含纤维素内切酶、外切酶和beta-葡萄糖苷酶，其酶活指标25国际单位。

[0015] 实施例3，参照附图对典型产业化生产方法进一步说明。

[0016] (1)粉碎、磨浆与调浆

[0017] 甜高梁棵先用切碎机切短成15mm长以下的碎段(现有技术中采用饲料行业用的粉碎机只能粉碎到40mm长左右，进一步粉碎后，由于纤维很柔韧，变得很细长却不断短，细长的纤维随物料运行，会造成堵管、堵阀门、堵塔盘等，严重影响生产)，再进入磨浆机，进一步研磨成短细纤维状浆料，让糖汁最大限度的释放出来，出磨浆机的物料应呈浆汁状浆料。之后将这浆料送到10目筛孔的振动筛上，筛下物送往调浆罐；筛上物则返回磨浆机继续研磨。这道磨浆工序很关键，只有把物料研磨成通过10目筛孔的浆汁状浆料，糖分才会被充分利用，如浆料中粗纤维状物料多，糖分被裹在里面，进入发酵罐后，酵母菌吃不到被裹在粗纤维状物料里面的糖分，使这部分糖分随废醪液排掉，出酒率就要降低，进而造成原料消耗增高，生产成本增高。浆料进入调浆罐后，加入适量离心机送来的清液(代替部分或全部的水，权利要求书这部分使用的水既可以是自来水、地下水或者是净化水，也可以使这里所回收的清液)，使浆料的稠稀度调解到干物质浓度在20～25％，酸度在PH＝4.5左右，满足发酵需要。

[0018] (2)浆料双酶同步发酵乙醇

[0019] 由调浆罐调好的浆料泵入发酵罐除具备前述两个条件外还需要限定浆料的温度在28～30℃；同时加入计算好的酵母、纤维素酶及必要的营养盐(其量：酵母为原料重的0.03～0.05％、纤维素酶为原料重的12～13％；营养盐尿素为原料重的0.01～0.02％。
发酵罐泵入浆料1/3时，将上述三种辅料依次各加入1/3，发酵罐料位1/2时，再依次加入三种辅料各1/3，发酵罐料位2/3时，把三种辅料各剩余的1/3依次加完)。发酵罐装满后的物料在酒精行业上叫发酵醪。由于发酵醪具备上述四个条件，便开始了生化发酵反应，经过
68～72小时的时间，发酵醪中的糖分被酵母菌吸收产生了乙醇、浆料中的一部分秸杆纤维由纤维素酶分解成糖，也被酵母菌吸收也产生了乙醇。此时发酵罐中的物料在酒精行业上叫成熟醪。经取样化验，成熟醪中糖分已降低到甚微(要求在0.2％以下)，而相应的乙醇含量在6～8％，视为合格，发酵反应完成。然后放出到成熟醪贮罐中，供粗蒸塔使用。

[0020] 需要说明的是，酵母采用市场上销售的酒精酵母即可。纤维素酶的要求一是酶活在25国际单位(1国际单位指在1min内产生1μmol(微摩尔数)葡萄糖所用的酶量)以上，二是最好是鲜品(湿料)状态直接用于发酵，而不是进一步干燥成干成品，从而杜绝了纤维素酶菌种因温度变化引起的变异退化，导致产酶能力降低。纤维素酶是一种复合酶系，它的主酶包括纤维素内切酶，外切酶和beta-葡萄糖苷酶。靠这三种酶之间存在协同作用，来水解纤维素以获取葡萄糖再发酵成乙醇。这三种主酶的弱点是操作条件稍有变化，就会引起变异退化。因此选用时最好选用丹麦的Novo Nordisk和美国的Genencor两公司的纤维素酶。而目前国内生产销售的纤维素酶，酶活不足15国际单位，多用于食品、饲料养殖、纺织、造纸、制药、环保、石油开采等部门。当然如果具备改良条件的也可以自己培育。

[0021] (3)发酵罐中，在生化反应产生乙醇的同时，还有CO2产生，这些CO2最终由发酵罐顶导出管引出，先入气柜暂贮，然后经压缩机和净化装置，将CO2气制备成CO2成品，贮入成品罐中回收应用。

[0022] (4)蒸馏提纯

[0023] 包括粗馏塔系、精馏塔系和分子筛塔系(塔系的含义包括塔体和塔所用的再沸器、换热器和输料泵等)。粗馏塔系是把成熟醪中6～8％左右的乙醇蒸出到精馏塔去，其操作控制指标是：底温：85-87.5℃、顶温：62.5-70℃、底压：-48kPa、顶压：-65～-70KPa、回流：0～45T/h，并保持恒定的真空总压：-68～-70KPa，真空由真空泵完成。此部分乙醇含水较多，而不含固形物纤维等杂质，故取名叫淡乙醇。蒸出乙醇后的塔底物料在酒精行业上叫废醪液。废醪液中几乎不含乙醇(要求在0.02％以下)，用泵送往干燥车间处理。

[0024] 精馏塔系设计成双功能，一是将淡乙醇泵入精馏塔中精馏后，由塔顶部直接采出95％浓度的食用普级乙醇(乙醇在精馏中的特性是：与5％的水共沸，也就是说，用直接精馏的办法，乙醇怎么也达不到99％以上的高浓度)，送往乙醇成品贮罐中；二是不采出95％浓度的食用普级乙醇，而是由精馏塔顶引出送往分子筛塔系。精馏塔系的操作控制指标是：底温：119-123℃、顶温：93-98℃、顶压：0.07-0.10Mpa(表压)、底压：0.10-0.12MPa(表压)、进料温度：110-116℃、侧线采出温度：93-94℃。

[0025] 分子筛塔系是将95％浓度的乙醇，用该塔内的分子筛的特殊功能吸附掉近5％的水分，使乙醇浓度提高到99.5％以上(要求99.2％以上即合格)，从分子筛塔顶采出到贮罐中，即成为燃料乙醇成品。操作控制指标是，①蒸发器：操作压力0.20～0.35Mpa、出口温度100～125℃、进料量90～96T/h；②吸附塔：吸附过程操作压力0.20～0.35Mpa、进气温度120～145℃， 脱附过程操作压力-0.02～-0.05Mpa、出口温度：180～230℃。

[0026] (5)废醪液回收利用

[0027] 首先将废醪液离心分离，由粗馏塔底送来的废醪液中含总固物13％左右(总固物中包括大部分固形物和少部分可溶物)，需要先用离心机进行固液分离，对分离出来的固形物(含水70％左右)取名叫湿糟(湿秸渣)；对离心出来的滤清液取名叫清液，内含少许可溶物。

[0028] 对湿糟，用搅龙送往干燥机，干燥成含水30％左右，送往热电站作燃料发电。从而解决了燃料乙醇厂的用汽用电问题。燃烧后的灰粉含钾等微量元素，称作含钾粉灰，是钾肥功效的1/3。

[0029] 对清液，先送往调浆罐满足调浆需要，剩余部分送往污水站处理。由于里面含蛋白质等粘性物质少，所以进入污水站后，很容易处理到达标排放。与此同时，还可抽出一部分离心清液，用于浇灌盐碱地，利用离心清液中所含的微酸性改良土壤。

[0030] (6)配套辅助设备

[0031] 包括污水站、原水净化站、循环水站、冷冻站、空压站五个工段。

[0032] ①污水站是将干燥车间的部分离心后清液、各车间的生产下水等，集中到一起，用生化技术处理后，使水质的COD≤50PPM(要求COD≤100PPM)，实现达标后送往各车间作冷却用水，作到‘0排放’。

[0033] ②原水净化站，建厂地带的水源是水库或地下水，需要经过原水净化站处理后，送往各车间等用水点。

[0034] ③循环水站，精馏车间需要大量的水冷凝酒汽，这么大量的水只有经过循环水站的循环冷却使用，才节约合理。

[0035] ④冷冻站，发酵罐发酵醪的冷却、精馏车间成品乙醇或燃料乙醇的冷却，都需要低温水冷却，冷冻站就起到制造低温冷却水循环使用的作用。

[0036] ⑤空压站，为各车间仪表用气、发酵用酵母扩培用气(净化)，提供气源。

[0037] (7)热电站，各乙醇厂都是用汽用电大户，最科学节约合理的办法是建立自备倍压式热电站，使锅炉产生的高压蒸汽(如5.3MPa)，先送去推动汽轮发电机发电，蒸汽压力降到0.7MPa后，再送往各车间作工艺用汽，5.3MPa～0.7MPa的动力用于发电，完全满足了全厂用电的需要，0.7MPa的蒸汽也完全满足了全厂用汽的需要。经测算，20万T/年乙醇生产规模，需要蒸汽320T/时、电量3万KW，故建两炉两机，即倍压式与全凝式各一套，是科学合理的。