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一種用于秸稈稀酸水解五碳糖發(fā)酵丁醇的裝置及方法

文檔序號:76555閱讀:508來源:國知局
專利名稱:一種用于秸稈稀酸水解五碳糖發(fā)酵丁醇的裝置及方法
技術領域
本發(fā)明屬于化工設備類,特別是涉及用于秸稈稀釋水解五碳糖發(fā)酵丁醇的裝置和 方法。
背景技術
中國是石油進口的大國,每年需要進口大約50%的石油。這些石油資源初大部分 用于燃料的生產(chǎn)煉制以外,還有相當一部分用于化學品的生產(chǎn)。中國的秸稈資源很豐富,年 產(chǎn)量大約7億噸,但是現(xiàn)在大部分沒有得到有效利用。如果能利用生物煉制技術以秸稈為 主要原料來生產(chǎn)化學品和燃料,將有效地緩解國家的石油進口壓力。
秸稈中的主要成分是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素。纖維素分子是一種葡萄糖苷通過 β _1,4糖苷鍵連接起來的鏈狀聚合體,半纖維素是一大類結構不同的多聚糖的統(tǒng)稱,如聚 戊糖、聚阿拉伯糖、聚甘露糖、聚半乳糖等,其中最主要的成分是聚戊糖,木質(zhì)素是一類由苯 丙烷單元通過醚鍵和碳-碳鍵連接的復雜無定型物。木質(zhì)素和半纖維素一起作為細胞間質(zhì) 填充在細胞壁的微細纖維之間,加固木化組織的細胞壁,也存在于細胞間層把相鄰的細胞 粘結在一起。木質(zhì)素和半纖維素形成牢固結合層,緊緊地包圍著纖維素,因此要想利用纖維 素,就必須先進行預處理,脫除掉半纖維素和木質(zhì)素。
脫除半纖維的預處理方法有很多,常用的方法有稀酸預處理與汽爆預處理。稀酸 處理一般是將原料用10%左右的酸液在100°C -200°c的高溫下進行幾個小時的處理,稀酸 處理后半纖維素水解成單糖,木質(zhì)素量不變,而纖維素的平均聚合度下降,原料中纖維的長 度也降低。汽爆處理是將原料先用160-260°C的水蒸汽(相對應的壓力為0. 69 4. 83MPa) 處理適當時間(0. 5-20min),然后連同水蒸汽一起從反應器中急速放出而爆破,汽爆處理對 秸稈結構的影響包括高溫蒸煮作用和瞬間減壓產(chǎn)生的機械作用兩個方面高溫蒸煮的過程 中,半纖維素降解,木質(zhì)素軟化,瞬間的減壓噴放,物料內(nèi)所含的水分迅速蒸發(fā)、膨脹,產(chǎn)生 的爆破力使得秸稈的組織結構破壞,纖維與纖維互相分開,變成結構疏松、柔軟的立體狀組 織,纖維素充分暴露,但是纖維的長度不變。稀酸預處理后,半纖維素幾乎完全降解,纖維素 分子量也有所降低,有利于后續(xù)的纖維素酶解過程。秸稈經(jīng)預處理脫除半纖維后,剩下木質(zhì) 素和纖維素,再經(jīng)過堿處理后可分別得到木質(zhì)素與纖維素,纖維素可再轉化為各種產(chǎn)品,實 現(xiàn)綜合利用。
隨著石油資源的日漸枯竭,全世界都把能源研究的重點轉向生物燃料?,F(xiàn)在已有 生物柴油、生物乙醇等生物燃料得到了應用。在實際應用中,生物燃料丁醇由于其能夠與汽 油以任意比進行混合,又無需對車輛經(jīng)行改造,且其經(jīng)濟性高,可有效提高車輛的燃油效率 和行駛里程。所以生物丁醇比生物乙醇具有更優(yōu)越的品質(zhì)以及更高的熱值轉化率。目前生 物丁醇得到了人們更多的青睞,被稱為第三代生物燃料。傳統(tǒng)的生物丁醇的制備方法是以 玉米、小麥等淀粉原料經(jīng)過糖化發(fā)酵制備而成的。但是以糧食為原料生產(chǎn)生物燃料不僅不 能滿足社會需求,而且會危及糧食安全。有研究人員指出,即使美國種植的所有玉米和大豆 都用于生產(chǎn)生物能源,也只能分別滿足美國社會汽油和柴油需求的12%和6%。而玉米和
3大豆首先要滿足糧食、飼料和其他經(jīng)濟需求,不可能都用來生產(chǎn)生物燃料。國際貨幣基金組 織也警告說,全球用于生物燃料的谷物生產(chǎn)不斷增加有可能對世界貧困產(chǎn)生嚴重影響。為 此,研究人員都在積極探索以非糧食類植物生產(chǎn)燃料丁醇的方法。
公開號為CN 101434968A的中國專利公開了一種用木薯粉生產(chǎn)燃料丁醇的方法, 木薯雖然屬于非糧原料,但是木薯的種植仍然需要大量的土地,報到也指出在廣西的木薯 酒精開始生產(chǎn)之后,木薯的原料價格開始飛漲,導致木薯酒精的成本高于市場價格,用木薯 生產(chǎn)丁醇同樣也可能碰到同樣的問題。因此,探索用秸稈類纖維素原料來生產(chǎn)丁醇將會是 更好的生產(chǎn)路線。公開號為CN101358218A的中國發(fā)明專利公開了一種利用秸稈生產(chǎn)戊糖 聯(lián)產(chǎn)丙酮、丁醇和乙醇的方法,公開號為CN101358214A的中國發(fā)明專利公開了一種利用秸 稈生產(chǎn)糠醛耦合聯(lián)產(chǎn)丙酮和丁醇的方法。這兩個專利以秸稈為原料,通過水解后將秸稈中 的半纖維素轉化為五碳糖或糠醛,剩余的水解物再經(jīng)過處理后酶解為葡萄糖后發(fā)酵生產(chǎn)丁 醇。這種方法雖然也可以生產(chǎn)丁醇,但是目前看來纖維素降解為葡萄糖的過程需要的纖維 素酶的生產(chǎn)成本居高不下,采用這種路線來生產(chǎn)丁醇,其生產(chǎn)成本偏高,作為燃料丁醇來使 用,難以為市場所接受。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
隨著化石燃料的日益枯竭,人們急需要尋找新的替代能源。生物燃料 由于其可再生性和環(huán)境友好性而成為一個很好的選擇。再生物燃料中燃料丁醇具有較燃料 乙醇更好的品質(zhì)和燃燒熱值,因而從纖維素原料而來的生物丁醇被稱為第三代生物燃料而 倍受青睞。目前從纖維素原料來生產(chǎn)丁醇的路線主要集中在以纖維素原料水解液中的己 糖或己糖戊糖混合糖來發(fā)酵生產(chǎn)丁醇。由于己糖的降解非常困難,因而生產(chǎn)成本也居高不 下,本發(fā)明的目的就是為生產(chǎn)低成本的丁醇路線提供一套裝置和方法,實現(xiàn)低成本丁醇的 生產(chǎn)。
本發(fā)明的構思
秸稈中的主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素,前兩者可以降 解為單糖用于發(fā)酵生產(chǎn)丁醇。但是纖維素的降解條件較為苛刻,需要消耗的大量纖維素酶 才能使其有效降解,這樣從秸稈中的己糖來生產(chǎn)丁醇就面臨高成本的壓力。而秸稈中的半 纖維素較容易降解,使用稀酸處理的方法可以將半纖維素幾乎全部降解為單糖。同時,用丙 酮丁醇梭菌來發(fā)酵丙酮、丁醇和乙醇的時候及時用淀粉也只能達到2%左右的濃度,而這樣 的濃度用來源于秸稈的五碳糖來發(fā)酵也足以支持。秸稈再提取戊糖之后,剩余物在經(jīng)過適 當?shù)奶幚碇罂梢杂糜谠旒埡惋暳?,這也可以使秸稈這種原料得到充分完全的利用?;?上述考慮,我們提出了新的秸稈丁醇工藝路線,并通過本發(fā)明的裝置和方法來實現(xiàn)。
本發(fā)明技術方案
本發(fā)明的目的是通過以下步驟來實現(xiàn)的
1.秸稈粉碎機將秸稈粉碎為0. l-5mm的顆粒;
2.在洗滌罐中通入水將秸稈中的雜質(zhì)去除;
3.在水解罐中利用質(zhì)量濃度為0. 1-1%的稀硫酸,在130_150°C下l_3h水解將秸 稈中的半纖維素降解為五碳糖;
4.在稀酸水解過程中通過冷凝管將水解過程中產(chǎn)生的糠醛冷凝出來,得到的粗糠 醛再通過精餾得到成品糠醛;
5.用螺旋壓榨脫水機或板框壓濾機將五碳糖液和水解渣進行固液分離,水解渣通過其他處理可用于飼料發(fā)酵;
6.五碳糖液經(jīng)過螺旋壓榨脫水機或板框過濾機后經(jīng)過真空度0. 02Mpa、溫度為 90°C的減壓蒸餾得到稀酸水解過程中生成的糠醛;
7.經(jīng)蒸餾的五碳糖液經(jīng)過電滲析分離糖液和酸根離子;
8.電滲析分離出來的酸液進入離子交換柱將稀酸水解過程中生成的甲酸、乙酸同 水解加入的硫酸分開;
9.脫毒后的五碳糖液加入質(zhì)量比為1 1-5 1的玉米浸提液和淀粉乳,滅菌后 接入丙酮丁醇梭菌進行發(fā)酵;
10.發(fā)酵結束后發(fā)酵液在差壓蒸餾塔中蒸餾獲得丁醇、丙酮和乙醇;
11.蒸餾后的發(fā)酵液經(jīng)過0. 2-0. 5倍質(zhì)量的汽爆秸稈吸收,在固態(tài)發(fā)酵罐中發(fā)酵 生成高蛋白飼料。
本發(fā)明具有以下特點
1.利用秸稈中容易得到的五碳糖發(fā)酵丁醇,不易降解的纖維素用于造紙或飼料發(fā) 酵,從而降低了丁醇的生產(chǎn)成本;
2.整個過程中不產(chǎn)生廢棄物和污染,秸稈中的所有組分都得到很好的利用,聯(lián)產(chǎn) 丁醇,丙酮,乙醇,糠醛,飼料和易處理五碳糖渣;


圖1采用稀酸水解流程的秸稈五碳糖發(fā)酵丁醇的裝置,1,粉碎機;2,洗滌罐;3, 水解罐;4,板框壓濾機或螺旋壓榨脫水機;5,負壓蒸餾塔;6,冷凝器;7,減壓蒸餾器;8,精 餾器;9,電滲析;10,離子交換柱;11,丁醇發(fā)酵罐;12,差壓蒸餾器;3,配料罐;14,汽爆罐; 15,固態(tài)發(fā)酵罐。
具體實施方式
下面通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。
實施例1
1噸玉米秸稈用HZH-145型秸稈粉碎機粉碎為0. l_5mm的顆粒;在洗滌罐中加入 將秸稈中的雜質(zhì)去除;在IOm3水解罐中,加入0.4%的稀硫酸,物料和稀硫酸的比控制在 1 6,在132°C下,水解3小時;在酸水解的過程中開啟氣相閥門,將罐體中的蒸汽引流出 來,再冷凝出醛水混合液。水解完畢后使用LJG-I型螺旋積壓固液分離機,分離糖液和固體 物料。將顆粒大于0. Imm的顆粒螺旋以30轉/min的速度把脫水物料向前推薦,分離后的物 料中固形物可達50%以上;糖液進入脫糠醛塔以回收其中的糠醛,利用一個負壓狀態(tài)下的 蒸餾塔將水解液中的微量糠醛分離并增濃,塔低溫度由過去的105°C _108°C調(diào)整為90°C, 真空度為0. 02Mpa,收集醛水混合液;然后利用常規(guī)的糠醛蒸餾裝置生產(chǎn)出合格的糠醛產(chǎn) 品。五碳糖液經(jīng)過板框過濾機后經(jīng)過蒸餾得到汽爆過程中生成的糠醛20. 2kg。
固液分離后,水解渣通過堿處理用于制漿造紙。
減壓蒸餾過的五碳糖液在通過電滲析裝置分離液體中的酸根離子,分離條件溫 度30°C,電流密度800A/m2。最后通過離子交換法分離純化得到硫酸、甲酸和乙酸。
通過電滲析得到的濃度為5%的秸稈五碳糖作為碳源,閃蒸后的玉米浸膏中亞硫酸的濃度為0.05g/L,將閃蒸后的玉米浸膏和8%的玉米淀粉乳以1 4的比例混合作為營 養(yǎng)物質(zhì),補加到秸稈五碳糖液中作為發(fā)酵培養(yǎng)基,碳源和營養(yǎng)物質(zhì)的比例為1 10;用NaOH 調(diào)節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基至PH6. 5,在121°C下滅菌lOmin,接入5 10 %的丙酮丁醇種子液,30 35°C下厭氧發(fā)酵3 6d得到總溶劑含量為2%的發(fā)酵醪。
將發(fā)酵醪液經(jīng)過醪液熱交換器與負壓塔和加壓塔底排出的100°C的廢醪混合液 進行熱交換,預熱后的溫度為95°C的發(fā)酵醪分別進入負壓塔和加壓塔的中上部,發(fā)酵醪液 在兩個塔的提留段脫去丁醇、丙酮、乙醇后從塔底排出,從提留段分離出來的溶劑和部分水 分別從負壓塔和加壓塔的頂部出來進入冷凝器組被冷凝,冷凝后的粗溶劑部分回流到各自 塔的塔頂,其余蒸餾出的溶劑的濃度為50%,通過管道送到丁醇塔中進行精餾;加壓塔的 塔底溫度為125°C,塔頂溫度115°C,負壓塔的塔底溫度為100°C,塔頂溫度90°C,塔頂壓力 0.08Mpa。
經(jīng)蒸餾的五碳糖液經(jīng)過離子交換柱將汽爆過程中生成的發(fā)酵抑制物去除;脫毒后 的五碳糖液滅菌后接入丙酮丁醇梭菌進行發(fā)酵;發(fā)酵結束后發(fā)酵液在蒸餾塔中蒸餾獲得丁 醇60kg、丙酮30kg和乙醇IOkgo
秸稈稀酸水解五碳糖丁醇發(fā)酵廢液與汽爆秸稈混合物滅菌后接入斜臥青霉和白 腐菌,接種量分別為4%和3%,壓力脈動固態(tài)發(fā)酵4天后,接入熱帶假絲酵母和植物乳桿 菌,接種量分別為3%和2%,同時加入2%的硫酸銨,厭氧發(fā)酵2天,干燥后便得到蛋白飼 料。所得蛋白飼料蛋白質(zhì)含量為21. 1%,粗纖維降解率為63. 4%。
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權利要求
一種用于秸稈稀酸水解五碳糖發(fā)酵丁醇的裝置及方法,其特征在于,它包含秸稈粉碎機、洗滌罐、汽爆罐、水解罐、壓榨脫水機或板框壓濾機、電滲析、離子交換柱、丁醇發(fā)酵罐、蒸餾塔和固態(tài)發(fā)酵罐,其實現(xiàn)方法如下(1)秸稈粉碎機將秸稈粉碎為0.1 5mm的顆粒,(2)在洗滌罐中將秸稈中的雜質(zhì)去除,(3)然后通過在水解罐中的稀酸水解將秸稈中的半纖維素降解為五碳糖,(4)處理后的秸稈加水提取五碳糖,用壓榨脫水機或板框壓濾機將五碳糖液和水解渣進行固液分離,得到水解渣和五碳糖液,(5)五碳糖液經(jīng)過負壓蒸餾得到稀酸水解過程中生成的糠醛,(6)經(jīng)過蒸餾的五碳糖液經(jīng)過電滲析和離子交換柱將稀酸水解過程中生成的發(fā)酵抑制物去除,(7)脫毒后的五碳糖液配入玉米浸液和淀粉乳,滅菌后接入丁醇發(fā)酵菌在丁醇發(fā)酵罐中進行發(fā)酵,(8)發(fā)酵結束后發(fā)酵液在蒸餾塔中蒸餾獲得丁醇、丙酮、乙醇和蒸餾后的發(fā)酵液。
2.如權利要求
1所述一種用于秸稈稀酸水解五碳糖發(fā)酵丁醇的裝置及方法,其特征在 于,所述水解罐中所用稀酸是質(zhì)量濃度為0. 1-1. 0%的硫酸,水解溫度為130-150°C,水解 時間為l_3h。
3.如權利要求
1所述一種用于秸稈稀酸水解五碳糖發(fā)酵丁醇的裝置及方法,其特征在 于,水解過程中同時將水解所產(chǎn)生的糠醛蒸汽通過冷凝管導出,再經(jīng)精餾可得到糠醛成品。
4.如權利要求
1所述一種用于秸稈稀酸水解五碳糖發(fā)酵丁醇的裝置及方法,其特征在 于,糖液負壓蒸餾糠醛的溫度為90°C,真空度為0. 02MPa。
5.如權利要求
1所述一種用于秸稈稀酸水解五碳糖發(fā)酵丁醇的裝置及方法,其特征在 于,所配入的玉米浸液和玉米乳和秸稈木糖的質(zhì)量比例為1 1-1 5。
6.如權利要求
1所述一種用于秸稈稀酸水解五碳糖發(fā)酵丁醇的裝置及方法,其特征在 于,丁醇蒸餾后的發(fā)酵液用0. 2-0. 5倍的汽爆秸稈吸收,在固態(tài)發(fā)酵罐中發(fā)酵生成高蛋白 飼料。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種用于秸稈稀酸水解五碳糖發(fā)酵丁醇的裝置及方法,它包括秸稈粉碎機、洗滌罐、汽爆罐、水解罐、壓榨脫水機、板框壓濾機、電滲析、離子交換柱、丁醇發(fā)酵罐、蒸餾塔和固態(tài)發(fā)酵罐,本發(fā)明首先利用水解罐將秸稈中的半纖維素全部降解為以木糖為主的五碳糖并回收水解過程所產(chǎn)生的糠醛,五碳糖液通過電滲析和離子交換回收糖液中的糠醛和有機酸后添加部分營養(yǎng)物,通過丙酮丁醇生產(chǎn)菌在丁醇發(fā)酵罐中發(fā)酵得到丁醇等總溶劑,發(fā)酵液經(jīng)蒸餾后可得到生物丁醇。酸水解剩余固形物用作造紙或飼料。發(fā)酵液蒸餾后用汽爆秸稈吸收,然后發(fā)酵為蛋白飼料。本發(fā)明為丁醇生產(chǎn)提供了新路線。
文檔編號A23K1/12GKCN101942382SQ200910088094
公開日2011年1月12日 申請日期2009年7月6日
發(fā)明者李宏強, 生曉東, 陳洪章, 馬保華 申請人:中國科學院過程工程研究所;香港來禾生物科技有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
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