纖維素乙醇生產裝置及方法

專利名稱：纖維素乙醇生產裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種纖維素乙醇生產裝置及方法，可有效降低纖維素乙醇生產過程中酶解反應液中的可代謝的纖維素含量較低，且流動性較差、纖維素酶用量大，成熟醪酒度低，生產能耗物耗高，污水處理難度大等問題，提高維素乙醇作為替代液體燃料的市場競爭力。本發明技術屬于生物質能源與資源技術領域。
背景技術：
隨著世界人口的持續增長和工業化的發展，能源需求日益增加，持續利用煤、石油和天然氣等不可再生能源，不但造成能源枯竭，而且加速了生態環境的不斷惡化。因此，利用可再生能源，尤其是生物質能源逐漸被人們重視起來。我國每年可產生大量的農業廢棄物、工業生產廢棄物及城市垃圾等，如玉米秸、麥秸、稻草、木薯秸桿以及棉桿等秸桿類物質；糠醛生產過程產生的糠醛渣、木薯淀粉或酒精生產過程產生的木薯渣等工業生產廢棄物；以及廢紙等城市垃圾。采用這些纖維素原料生產纖維素乙醇越來越受到人們的關注。纖維素乙醇生產過程主要包括原料酶解、發酵、精餾脫水和廢醪液處理等生產單元。纖維素原料中可酶解為酵母可代謝的纖維素通常含量20% 90%，纖維素不溶于水，但在水中易溶服，制備的酶解反應液中的可代謝的纖維素含量較低，且流動性較差、黏度較大，給酶解反應液的滅菌、酶解等過程造成了操作困難，纖維素酶用量大，成熟醪酒度通常小于3%，能耗物耗高，工程化難度大，污水處理難度大等問題，制約著纖維素乙醇產業的發展。因此，采用現代化工技術，改進和完善纖維素乙醇生產技術，降低纖維素乙醇生產過程的能耗和物耗，減少生產過程中排放物對環境的不利影響，是纖維素乙醇為替代能源的推廣使用的技術關鍵。

發明內容
本發明開發的纖維素乙醇生產裝置及方法，采用的纖維素原料為玉米秸、麥秸、稻草、木薯秸桿以及棉桿等農業廢棄物；糠醛渣、木薯淀粉或木薯酒精產生的木薯渣等工業生產廢棄物；以及廢紙等含有較多纖維素的城市垃圾。本發明涉及的一種纖維素乙醇生產方法，包括原料酶解、發酵、精餾脫水和廢醪液處理的生產單元，其特征是原料酶解單元的氣爆處理采用水蒸氣與CO2氣體混合后共同實現對纖維素原料的氣爆操作，操作壓力表壓為0. I 2. OMPa，操作溫度為100 240°C，混合汽中CO2摩爾百分數為1% 60%。本發明的纖維素原料為玉米秸桿、麥秸、高粱秸桿、稻草、木薯秸桿及棉花秸桿的農業廢棄物；包括糠醛渣、木薯淀粉或木薯酒精的木薯渣的工業生產廢棄物；包括有廢紙及含纖維素成分城市垃圾。原料酶解單元包括脫雜粉碎、氣爆處理、拌料罐、高溫滅菌、換熱器、離心濃縮、酶解罐和冷卻器，拌料罐制備固含量較低的具有較好流動性的酶解反應液，進行高溫滅菌及降溫操作，滅菌溫度為80 150°C，停留時間為5 30分鐘，高溫滅菌后的酶解反應液通過換熱器換熱冷卻后降至30 55°C后，送至離心濃縮裝置，獲得固含量較高的酶解反應濃縮液，直接送至酶解罐，進行酶解反應，離心濃縮裝置產生的清液作為拌料水預熱后返回拌料罐循環使用。發酵單元的發酵過程中排出的CO2引入CO2洗滌塔，凈化后的CO2送至原料酶解單
元氣爆裝置。
精餾脫水單元的來自于發酵單元的發酵成熟醪，依次通過原料預熱器I和原料預熱器2，預熱后進入粗餾塔，預熱器I、預熱器2的加熱介質分別為粗餾塔釜采廢醪液、精塔釜采廢醪液。精餾脫水單元的來自于發酵單元的發酵成熟醪，依次通過原料預熱器I和原料預熱器2，預熱后進入粗餾塔，預熱器I、預熱器2的加熱介質分別為粗餾塔釜采廢醪液、精塔釜采廢醪液。廢醪液處理單元的來自纖維素乙醇生產過程中的精餾脫水單元的液固兩相的廢醪液，通過預處理、一級全渣厭氧、液固分離、渣泥干燥、二級厭氧、氣浮、好氧曝氣及深度處理等過程，一級全渣厭氧操作溫度為50 65°C，廢醪液經一級全渣厭氧處理后，一級厭氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分離裝置，清液送至二級厭氧罐。廢醪液處理生產單元包括一級全渣厭氧、液固分離、渣泥干燥、二級厭氧、氣浮、好氧曝氣等過程，二級厭氧水出水送至好氧罐進行好氧曝氣操作，好氧出水部分送入廢水深度處理裝置繼續處理，部分返回原料酶解單元作為拌料水使用，好氧罐排出的好氧污泥全部返回一級厭氧罐進行厭氧改性，實現好氧污泥零排放。本發明涉及一種纖維素乙醇生產裝置，本發明涉及一種纖維素乙醇生產裝置，在原料酶解單元，拌料罐物料出口采用管線連接高溫滅菌裝置物料進口，高溫滅菌裝置加熱介質入口與高溫水蒸汽管線連接，高溫滅菌裝置熱物料出口通過管線連接換熱器熱物料進口，換熱器冷物料出口連接離心濃縮裝置物料進口，離心濃縮裝置清液出口通過管線連接換熱器冷物料進口管線，離心濃縮裝置濃縮液出口通過管線連接酶解罐物料進口，換熱器熱物料出口通過管線連接拌料罐拌料水進口管線，換熱器采用間壁式、全逆流換熱器。纖維素乙醇生產裝置及方法的生產流程圖詳見圖I-原料酶解單元流程圖；圖2-發酵單元流程圖；圖3-精餾脫水單元流程圖；圖4-廢醪液處理單元流程圖、圖5-纖維素乙醇生產裝置圖，纖維素乙醇生產裝置及方法的具體生產過程說明如下I.原料酶解單元原料酶解單元生產過程參見圖I-原料酶解單元流程圖及圖5-纖維素乙醇生產裝置圖。原料酶解單元包括脫雜粉碎、氣爆處理、拌料罐、高溫滅菌、換熱器、離心濃縮、酶解罐、冷卻器等。首先將纖維素原料進行脫雜粉碎，粉碎后的纖維素原料加水潤濕后送入氣爆處理裝置，氣爆處理裝置采用水蒸氣與CO2氣體混合后共同實現對纖維素原料的氣爆操作，操作表壓壓力為O. I 2. OMPa，操作溫度為100 240°C，混合汽中CO2摩爾百分數為1% 60%。氣爆操作過程CO2的加入有利于破壞原料中纖維素、半纖維素和木質素的空間結構，提高纖維素的可及度，降低纖維素結晶度，強化了纖維素原料中半纖維素及木質素的脫除，提高了酶解效率，提供纖維素原料酶解產糖率。環境友好。對于生物乙醇生產廠可以利用發酵單元產生的co2，CO2來源方便，成本低。氣爆處理后的纖維素原料送至拌料罐，加拌料水制成酶解反應液，拌料罐排出的酶解反應液送至高溫滅菌裝置完成高溫滅菌操作。拌料罐的拌料水包括廢醪液處理單元的回用水、清液及新鮮水，回用水及清液通過換熱器預熱再送入拌料罐，制備具有較好流動性、黏度較低、固含量較低的酶解反應液，便于高溫滅菌及換熱操作，酶解反應液的固含量通常要小于15%。高溫滅菌裝置采用水蒸氣加熱，滅菌溫度為80 150°C，停留時間為5 30分鐘。高溫滅菌后的反應液通過換熱器冷卻后降至30 55°C后，送至離心濃縮裝置，通過控制離心濃縮裝置轉速及處理量等參數得到固含量較高的酶解反應濃縮液，并送至酶解罐，為最終實現發酵成熟醪的酒精濃度的提高創造條件，酶解反應濃縮液的固含量為8% 40%，清液作為拌料水返回拌料罐循環使用。換熱器的冷卻介質為離心濃縮裝置排出的清液及廢醪處理單元的回用水，清液及 回用水通過換熱器加熱后作為拌料水送至拌料罐循環使用，利用高溫滅菌反應液降溫過程放出的熱量對拌料水進行預熱，換熱器采用間壁式、全逆流換熱器，降低酶解反應液高溫滅菌操作的熱量消耗。制備低固含量的酶解液解決了纖維素乙醇酶解反應液黏度大、流動性差進行高溫滅菌及換熱困難等工程難題，固含量較低的酶解反應液通過分離濃縮工藝，解決了固含量較低的酶解反應液使發酵成熟醪酒精濃度低，生產成本高等難題，酶解罐加入纖維酶、表面活性劑等，纖維素酶是將纖維素降解為酵母可以代謝的葡萄糖的一類酶的總稱。它是多組分的復合酶系，主要包括3種組分內切型葡聚糖酶、夕卜切型葡聚糖酶、3 -葡萄糖苷酶，纖維素水解生成葡萄糖的過程依靠這三組分的協同作用完成。酶解罐在30 55°C的溫度下進行酶解反應，同時通過添加酸或堿控制PH值3 6，酶解時間為0 150小時，酶解罐排出的酶解反應液冷卻后送至酒精發酵單元。2.發酵單元酒精發酵生產過程參見圖2-發酵單元流程圖。來自原料酶解單元的發酵成熟醪部分送至酒母擴配罐，剩余部分送至酒精發酵罐。酒精發酵生產單元主要由酒母擴配罐、多個發酵罐和CO2洗滌塔等組成，發酵操作方式為連續，或半連續，或間歇。將活化后的酒母放入酒母擴培罐中，同時加入酶解反應液，向罐內連續通入適量的無菌空氣，在擴培溫度28_38°C的條件下進行培養，在酵母細胞數達到要求后，向發酵罐供料。發酵罐控制溫度28 38°C，成熟醪酒度達到發酵要求后，經發酵成熟醪泵向精餾脫水單元連續供應發酵成熟醪。酒精發酵過程排出的CO2引入CO2洗滌塔，洗滌水為新鮮一次水，CO2洗滌塔的含酒精的洗滌水與發酵成熟醪混合送至酒精精餾脫水單元，凈化后的CO2部分或全部送至原料酶解氣爆裝置，剩余部分送至CO2回收裝置。在以上原料酶解及發酵單元由于采用固含量較低的流動性較好的酶解反應液完成滅菌降溫操作，然后再通過離心濃縮裝置得到固含量較高的酶解反應濃縮液，采用酶解反應濃縮液進行發酵操作，提高了成熟醪的酒度，解決了發酵過程異常發酵嚴重，纖維素利用率低，生產成本高等問題，得到的成熟醪酒度大于4%。
3.精餾脫水單元酒精精餾脫水生產過程參見圖3-精餾脫水單元流程圖。來自發酵單元的成熟醪在精餾脫水單元通過精餾得到工業酒精產品，再通過分子篩變壓變溫吸附過程脫除共沸水，得到燃料乙醇產品。精餾脫水單元主要由粗餾塔、I精塔、2精塔及吸附塔等組成。燃料乙醇生產流程敘述自發酵單元的發酵成熟醪依次通過原料預熱器I和原料預熱器2預熱后進入粗餾塔，預熱器I、預熱器2的加熱介質分別為粗餾塔釜采廢醪液、2精塔釜采廢醪液，粗餾塔操作壓力絕壓為O. 005 O. 3MPa，塔頂采出的粗酒送入I精塔，粗餾塔釜采廢醪液通過原料預熱器I冷卻后送至廢醪液處理單元，部分發酵成熟醪在粗餾塔 中升溫后，從粗塔進料口或以下位置側線采出，通過管線送入2精塔進料口 ；物料在2精塔內進行傳質操作，2精塔釜采廢醪液通過原料預熱器2冷卻后送至至廢醪液處理單元，2精塔操作壓力絕壓為O. I O. 6MPa，塔頂汽相部分采出的高濃度酒精至分子篩吸附塔，其余部分塔頂汽相采出的高濃度酒精至粗塔再沸器，冷凝后回流；來自粗塔的粗酒在I精塔內進行傳質操作，I精塔操作壓力絕壓為O. 3 O. 9MPa，塔頂高濃度酒精氣相流股至2精塔再沸器，冷凝液部分回流，部分送至2精塔上部進料口，I精塔釜采廢水直接送至原料酶解生產單元作為拌料水使用；2精塔塔頂酒精蒸汽部分送至分子篩吸附塔，經分子篩等脫水劑的吸附作用除去殘余水份，再通過冷凝后，最終獲得燃料乙醇產品，吸附操作壓力絕壓為O. I O. 6MPa，吸附再生汽冷凝后送至I精塔。工業酒精生產流程敘述自發酵單元的發酵成熟醪依次通過原料預熱器I和原料預熱器2預熱后進入粗餾塔，預熱器I、預熱器2的加熱介質分別為粗餾塔釜采廢醪液、2精塔釜采廢醪液。粗餾塔操作壓力絕為O. 005 O. 3MPa，塔頂采出的粗酒送入I精塔，粗餾塔釜采廢醪液通過原料預熱器I冷卻后送至廢醪液處理單元，部分發酵成熟醪在粗餾塔中升溫后，從粗塔進料口或以下位置側線采出，通過管線送入2精塔進料口 ；物料在2精塔內進行傳質操作，2精塔釜采廢醪液通過原料預熱器2冷卻后送至至廢醪液處理單元，2精塔操作壓力絕壓為O. I O. 6MPa，塔頂汽相采出的高濃度酒精至粗餾塔再沸器，冷凝后回流，上部側線采出工業酒精產品；來自粗塔的粗酒在I精塔內進行傳質操作，I精塔操作壓力絕壓為O. 3 O. 9MPa，塔頂高濃度酒精氣相流股送至2精塔再沸器，冷凝液部分回流，部分送至2精塔上部進料口，I精塔釜采廢水直接送至原料酶解生產單元作為拌料水使用。粗餾塔、I精塔和2精塔內部結構可以采用板式、填料以及板式和填料的復合結構，吸附塔中的吸附劑可以是硅鋁型分子篩，可選擇的分子篩為A型、X型、絲光沸石型、ZSM型等。本發明由于采用能量的多級多效的利用等方法及裝置，降低了纖維素乙醇生產過程能耗物耗高，生產噸纖維素燃料乙醇產品的全流程的工藝蒸汽消耗約為3. O 3. 7噸。4.廢醪液處理單元酒精生產廢醪液處理過程參見4-廢醪液處理單元流程圖。來自纖維素酒精精餾脫水單元的廢醪液，通過預處理、一級全渣厭氧、液固分離、渣泥干燥、二級厭氧、氣浮、好氧曝氣及深度處理等過程，實現清潔生產。來自精餾脫水生產單元的液固兩相的廢醪液，首先通過預處理器將溫度控制到50 65°C，送至一級厭氧裝置，一級厭氧罐為全混合式高溫厭氧反應器，全渣厭氧操作溫度為50 65°C，廢醪液經一次厭氧處理后，一級全渣厭氧操作產生的沼氣送至沼氣儲罐，可作為鍋爐燃料，一次厭氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分離裝置。液固分離裝置排出的渣泥固相含水量為60 90%，送至渣泥干燥裝置干燥，烘干后的干渣泥可作為燃料使用，液固分離裝置排出的清液送至二級厭氧罐進一步處理。二級厭氧操作產生的沼氣也送至沼氣儲罐，二級厭氧罐排放的厭氧污泥返回一級厭氧罐循環利用，二級厭氧罐出水的COD濃度為500 3000mg/L，二級厭氧出水經氣浮處理后，送至好氧罐進行好氧曝氣處理。二級厭氧水通過在好氧罐中的好氧曝氣操作，好氧裝置出水的COD濃度達到100 800mg/L，好氧出水部分送入廢水深度處理裝置繼續處理，部分或全部返回原料酶解單元作為拌料水使用，好氧出水回用率為30% 80%，好氧罐排出的好氧污泥也全部返回一級厭氧罐進行厭氧改性，實現好氧污泥零排放。
好氧罐出水送至廢水深度處理裝置，通過投加臭氧及膜處理等方法對好氧水進行進一步深度處理，深度處理后的污水COD濃度小于100mg/L，實現污水達標排放。本發明由于采用工藝廢水處理和回配等方法及裝置，解決了纖維素乙醇生產過程工藝水消耗量大、廢水處理困難等難題，實現了纖維素乙醇生產過程中好氧污泥的零排放。


圖I :原料酶解單元流程圖；圖2 :發酵單元流程圖；圖3 :精餾脫水單元流程圖；圖4 :廢醪液處理單元流程圖；圖5 :纖維素乙醇生產裝置圖。
具體實施例方式實施例I :以玉米秸桿為原料采用圖I、圖2、圖3、圖4和圖5所示的纖維素乙醇生產裝置及方法進行燃料乙醇的生產。首先將玉米秸桿原料進行脫雜粉碎，玉米秸桿中纖維素的干基含量為31%，粉碎后的玉米秸桿加水潤濕后送入氣爆處理裝置，氣爆處理裝置采用水蒸氣與CO2氣體混合后共同實現對纖維素原料的氣爆操作，混合汽中CO2摩爾百分數為60%。操作壓力表壓為
2.OMPa，操作溫度為240°C。氣爆處理后的玉米秸桿原料送至拌料罐，加拌料水制成酶解反應液，酶解反應液的總固為15%，拌料罐排出的酶解反應液送至高溫滅菌裝置完成高溫滅菌操作。拌料罐的拌料水包括廢醪液處理單元的回用水、清液及新鮮水，回用水及清液通過換熱器預熱再送入拌料罐。高溫滅菌裝置采用水蒸氣加熱，滅菌溫度為150°C，停留時間為20分鐘。高溫滅菌后的反應液通過換熱器冷卻后降至55°C后，送至離心濃縮裝置，得到固含量為35%的酶解反應濃縮液，并送至酶解罐，換熱器的冷卻介質為離心濃縮裝置排出的清液及廢醪處理單元的回用水，清液及廢醪處理的回用水通過換熱器加熱后作為拌料水送至拌料罐循環使用，利用高溫反應液降溫過程放出的熱量對拌料水進行預熱，換熱器采用間壁式、全逆流螺旋板式換熱器。酶解罐加入纖維酶、表面活性劑等助劑，在53°C的溫度下進行酶解反應，同時通過添加95%硫酸，控制酶解反應液PH值約5，酶解時間為150小時，酶解罐排出的酶解反應液冷卻至28°C送至酒精發酵單元。2.發酵單元
酒精發酵生產過程參見圖2-發酵單元流程圖。來自原料酶解單元的20%發酵成熟醪送至酒母擴配罐，剩余部分送至酒精發酵罐。發酵操作方式為連續操作方式。將活化后的酒母放入酒母擴培罐中，同時加入酶解反應液，向罐內連續通入適量的無菌空氣，在擴培溫度28°C的條件下進行培養，在酵母細胞數達到要求后，向發酵罐供料。發酵罐控制溫度28°C，成熟醪酒度達到5. 4%左右，經發酵成熟醪泵向精餾脫水單元連續供應發酵成熟醪。酒精發酵過程排出的CO2引入CO2洗滌塔，洗滌水為新鮮一次水，CO2洗滌塔的含酒精的洗滌水與發酵成熟醪混合送至酒精精餾脫水單元，凈化后的CO2部分送至原料酶解氣爆裝置，剩余部分送至CO2回收裝置。3.精餾脫水單元自發酵單元的發酵成熟醪依次通過原料預熱器I和原料預熱器2預熱后進入粗餾塔，預熱器I、預熱器2的加熱介質分別為粗餾塔釜采廢醪液、2精塔釜采廢醪液。粗餾塔操作壓力絕壓為0. 005MPa，塔頂采出的粗酒送入I精塔，粗餾塔釜采廢醪液通過原料預熱器I冷卻后送至廢醪液處理單元，部分發酵成熟醪在粗餾塔中升溫后，從粗塔進料口或以下位置側線采出，通過管線送入2精塔進料口 ；物料在2精塔內進行傳質操作，2精塔釜采廢醪液通過原料預熱器2冷卻后送至至廢醪液處理單元，2精塔操作壓力絕壓為0. IMPa,塔頂汽相部分采出的高濃度酒精至分子篩吸附塔，其余部分塔頂汽相采出的高濃度酒精至粗塔再沸器，冷凝后回流；來自粗塔的粗酒在I精塔內進行傳質操作，I精塔操作壓力絕壓為
0.3MPa，塔頂高濃度酒精氣相流股至2精塔再沸器，冷凝液部分回流，部分送至2精塔上部進料口，I精塔釜采廢水直接送至原料酶解生產單元作為拌料水使用；2精塔塔頂酒精蒸汽送至分子篩吸附塔，經分子篩等脫水劑的吸附作用除去殘余水份，再通過冷凝后，最終獲得燃料乙醇產品，吸附操作壓力絕壓為0. IMPa，吸附再生汽冷凝后送至I精塔。粗餾塔、I精塔和2精塔采用板式、或板式和填料的復合結構，吸附塔中的吸附劑是分子篩。本實施例生產噸纖維素燃料乙醇產品的全流程的工藝蒸汽消耗約為3. 7噸。4.廢醪液處理單元來自精餾脫水生產單元的液固兩相的廢醪液，首先通過預處理器將溫度控制到650C，送至一級全渣厭氧裝置，一級厭氧罐為全混合式高溫厭氧反應器，全渣厭氧操作溫度為65V，廢醪液經一次厭氧處理后，一級厭氧操作產生的沼氣送至沼氣儲罐，可作為鍋爐燃料，一次厭氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分離裝置。液固分離裝置排出的渣泥固相含水量為60%，送至渣泥干燥裝置干燥，烘干后的干渣泥可作為燃料使用，液固分離裝置排出的清液送至二級厭氧罐進一步處理。二級厭氧操作產生的沼氣也送至沼氣儲罐，二級厭氧罐排放的厭氧污泥返回一級厭氧罐循環利用，二級厭氧罐出水的COD濃度為500mg/L，二級厭氧出水經氣浮處理后，送至好氧罐進行好氧曝氣處理。
二級厭氧水通過在好氧罐中的好氧曝氣操作，好氧裝置出水的COD濃度達到150mg/L，好氧出水部分送入廢水深度處理裝置繼續處理，好氧出水全部返回原料酶解單元作為拌料水使用，好氧出水回用率為35%，好氧罐排出的好氧污泥也全部返回一級厭氧罐進行厭氧改性，實現好氧污泥零排放。好氧罐出水送至廢水深度處理裝置，通過投加臭氧等方法對好氧水進行進一步深度處理，深度處理后的污水COD濃度小于50mg/L，實現污水達標排放。實施例2 以城市垃圾中的廢紙等為原料采用圖I、圖2、圖3、圖4和圖5所示的纖維素乙醇生產裝置及方法進行工業酒精的生產。廢紙原料中纖維素的含量干基為72%，脫雜粉碎并加水潤濕后送入氣爆處理裝置，氣爆處理裝置采用水蒸氣與CO2氣體混合后共同實現對纖維素原料的氣爆操作，混合汽中CO2摩爾百分數為I %。操作壓力表壓為0. IMPa，操作溫度為100°C。氣爆處理后的廢紙原料送至拌料罐，加拌料水制成酶解反應液,酶解反應液的總固為5%，拌料罐排出的酶解反應液送至高溫滅菌裝置完成高溫滅菌操作。拌料罐的拌料水包括廢醪液處理單元的回用水、清液及新鮮水，回用水及清液通過換熱器預熱再送入拌料罐。高溫滅菌裝置采用水蒸氣加熱，滅菌溫度為120°C，停留時間為5分鐘。高溫滅菌后的酶解反應液通過換熱器冷卻后降至30°C后，送至離心濃縮裝置，得到固含量為20%的酶解反應濃縮液，并送至酶解罐，換熱器的冷卻介質為離心濃縮裝置排出的清液及廢醪處理單元的回用水，清液及廢醪處理的回用水通過換熱器加熱后作為拌料水送至拌料罐循環使用，利用高溫反應液降溫過程放出的熱量對拌料水進行預熱，換熱器采用全逆流板式換熱器。酶解罐加入纖維酶、表面活性劑等助劑，在30°C的溫度下進行酶解反應，同時通過添加95%硫酸，控制酶解反應液PH值4. 6，酶解時間為90小時，酶解罐排出的酶解反應液冷卻至38°C送至酒精發酵單元。2.發酵單元酒精發酵生產過程參見圖2-發酵單元流程圖。來自原料酶解單元的10%發酵成熟醪送至酒母擴配罐，剩余部分送至酒精發酵罐。發酵操作方式為連續操作方式。將活化后的酒母放入酒母擴培罐中，同時加入酶解反應液，向罐內連續通入適量的無菌空氣，在擴培溫度38°C的條件下進行培養，在酵母細胞數達到要求后，向發酵罐供料。發酵罐控制溫度38°C，成熟醪酒度達到8. 1%左右，經發酵成熟醪泵向精餾脫水單元連續供應發酵成熟醪。酒精發酵過程排出的CO2引入CO2洗滌塔，洗滌水為新鮮一次水，CO2洗滌塔的含酒精的洗滌水與發酵成熟醪混合送至酒精精餾脫水單元，凈化后的CO2部分送至原料酶解氣爆裝置，剩余部分送至CO2回收裝置。3.精餾脫水單元工業酒精生產流程敘述自發酵單元的發酵成熟醪依次通過原料預熱器I和原料 預熱器2預熱后進入粗餾塔，預熱器I、預熱器2的加熱介質分別為粗餾塔釜采廢醪液、2精塔釜采廢醪液。粗餾塔操作壓力絕壓為0. 3MPa，塔頂采出的粗酒送入I精塔，粗餾塔釜采廢醪液通過原料預熱器I冷卻后送至廢醪液處理單元，部分發酵成熟醪在粗餾塔中升溫后，從粗塔進料口或以下位置側線采出，通過管線送入2精塔進料口 ；物料在2精塔內進行傳質操作，2精塔釜采廢醪液通過原料預熱器2冷卻后送至至廢醪液處理單元，2精塔操作壓力絕壓為0. 6MPa，塔頂汽相采出的高濃度酒精至粗餾塔再沸器，冷凝后回流，上部側線采出工業酒精產品；來自粗塔的粗酒在I精塔內進行傳質操作，I精塔操作壓力絕壓為0. 9MPa，塔頂高濃度酒精氣相流股送至2精塔再沸器，冷凝液部分回流，部分送至2精塔上部進料口，I精塔釜采廢水直接送至原料酶解生產單元作為拌料水使用。粗餾塔、I精塔和2精塔內部結構采用板式、以及板式和填料的復合結構，吸附塔中的吸附劑是3A型分子篩。本實施例生產噸纖維素工業酒精產品的全流程的工藝蒸汽消耗約 為3. 0噸。4.廢醪液處理單元來自精餾脫水生產單元的液固兩相的廢醪液，首先通過預處理器將溫度控制到50°C，送至一級全渣厭氧裝置，一級厭氧罐為全混合式高溫厭氧反應器，全渣厭氧操作溫度為50V,廢醪液經一次厭氧處理后，一級全渣厭氧操作產生的沼氣送至沼氣儲罐，可作為鍋爐燃料，一次厭氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分離裝置。液固分離裝置排出的渣泥固相含水量為70%，送至渣泥干燥裝置干燥，烘干后的干渣泥可作為燃料使用，液固分離裝置排出的清液送至二級厭氧罐進一步處理。二級厭氧操作產生的沼氣也送至沼氣儲罐，二級厭氧罐排放的厭氧污泥返回一級厭氧罐循環利用，二級厭氧罐出水的COD濃度為800mg/L，二級厭氧出水經氣浮處理后，送至好氧罐進行好氧曝氣處理。二級厭氧水通過在好氧罐中的好氧曝氣操作，好氧裝置出水的COD濃度達到400mg/L，好氧出水部分送入廢水深度處理裝置繼續處理，好氧出水50%返回原料酶解單元作為拌料水使用，好氧出水回用率為80%，好氧罐排出的好氧污泥也全部返回一級厭氧罐進行厭氧改性，實現好氧污泥零排放。好氧罐出水送至廢水深度處理裝置，通過膜處理等方法對好氧水進行進一步深度處理，深度處理后的污水COD濃度小于100mg/L，實現污水達標排放。實施例3 以木薯淀粉生產產生的木薯渣為原料，采用圖I、圖2、圖3、圖4和圖5所示的纖維素乙醇生產裝置及方法進行燃料乙醇的生產。木薯淀粉生產產生的木薯渣的干基含量為35%，首先將木薯渣送入氣爆處理裝置，氣爆處理裝置采用水蒸氣與CO2氣體混合后共同實現對纖維素原料的氣爆操作，混合汽中CO2摩爾百分數為10%。操作壓力表壓為I. 2MPa，操作溫度為200°C。氣爆處理后的玉米秸桿原料送至拌料罐，加拌料水制成酶解反應液，酶解反應液的總固為12%，拌料罐排出的酶解反應液送至高溫滅菌裝置完成高溫滅菌操作。拌料罐的拌料水包括廢醪液處理單元的回用水、清液及新鮮水，回用水及清液通過換熱器預熱再送入拌料罐。高溫滅菌裝置采用水蒸氣加熱，滅菌溫度為80°C，停留時間為30分鐘。高溫滅菌后的反應液通過換熱器冷卻后降至50°C后，送至離心濃縮裝置，得到固含量為31%的酶解反應濃縮液，并送至酶解罐，換熱器的冷卻介質為離心濃縮裝置排出的清液及廢醪處理單元的回用水，清液及廢醪處理的回用水通過換熱器加熱后作為拌料水送至拌料罐循環使用，利用高溫反應液降溫過程放出的熱量對拌料水進行預熱，換熱器采用間壁式、全逆流管式換熱器。酶解罐加入纖維酶、表面活性劑等助劑，同時通過添加95%硫酸，控制酶解反應液PH值約4. 7，酶解時間為0小時，酶解罐排出的酶解反應液冷卻至30°C送至酒精發酵單元。2.發酵單元酒精發酵生產過程參見圖2-發酵單元流程圖。來自原料酶解單元的30%發酵成熟醪送至酒母擴配罐，剩余部分送至酒精發酵罐。發酵操作方式為連續操作方式。將活化后的酒母放入酒母擴培罐中，同時加入酶解反應液，向罐內連續通入適量的無菌空氣，在擴培溫度30°C的條件下進行培養，在酵母細胞數達到要求后，向發酵罐供料。
發酵罐控制溫度30°C，成熟醪酒度達到5. 2%左右，經發酵成熟醪泵向精餾脫水單元連續供應發酵成熟醪。酒精發酵過程排出的CO2引入CO2洗滌塔，洗滌水為新鮮一次水，CO2洗滌塔的含酒精的洗滌水與發酵成熟醪混合送至酒精精餾脫水單元，凈化后的CO2部分送至原料酶解氣爆裝置，剩余部分送至CO2回收裝置。3.精餾脫水單元自發酵單元的發酵成熟醪依次通過原料預熱器I和原料預熱器2預熱后進入粗餾塔，預熱器I、預熱器2的加熱介質分別為粗餾塔釜采廢醪液、2精塔釜采廢醪液。粗餾塔操作壓力絕壓為0. OlMPa，塔頂采出的粗酒送入I精塔，粗餾塔釜采廢醪液通過原料預熱器I冷卻后送至廢醪液處理單元，部分發酵成熟醪在粗餾塔中升溫后，從粗塔進料口或以下位置側線采出，通過管線送入2精塔進料口 ；物料在2精塔內進行傳質操作，2精塔釜采廢醪液通過原料預熱器2冷卻后送至至廢醪液處理單元，2精塔操作壓力絕壓為0. 3MPa，塔頂汽相部分采出的高濃度酒精至分子篩吸附塔，其余部分塔頂汽相采出的高濃度酒精至粗塔再沸器，冷凝后回流；來自粗塔的粗酒在I精塔內進行傳質操作，I精塔操作壓力絕壓為
0.7MPa，塔頂高濃度酒精氣相流股至2精塔再沸器，冷凝液部分回流，部分送至2精塔上部進料口，I精塔釜采廢水直接送至原料酶解生產單元作為拌料水使用；2精塔塔頂酒精蒸汽送至分子篩吸附塔，經分子篩等脫水劑的吸附作用除去殘余水份，再通過冷凝后，最終獲得燃料乙醇產品，吸附操作壓力絕壓為0. 6MPa，吸附再生汽冷凝后送至I精塔。粗餾塔、I精塔和2精塔采用板式、或板式和填料的復合結構，吸附塔中的吸附劑是分子篩。本實施例生產噸纖維素燃料乙醇產品的全流程的工藝蒸汽消耗約為3. 6噸。4.廢醪液處理單元來自精餾脫水生產單元的液固兩相的廢醪液，首先通過預處理器將溫度控制到550C，送至一級全渣厭氧裝置，一級厭氧罐為全混合式高溫厭氧反應器，全渣厭氧操作溫度為55V，廢醪液經一次厭氧處理后，一級厭氧操作產生的沼氣送至沼氣儲罐，可作為鍋爐燃料，一次厭氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分離裝置。液固分離裝置排出的渣泥固相含水量為60%，送至渣泥干燥裝置干燥，烘干后的干渣泥可作為燃料使用，液固分離裝置排出的清液送至二級厭氧罐進一步處理。二級厭氧操作產生的沼氣也送至沼氣儲罐，二級厭氧罐排放的厭氧污泥返回一級厭氧罐循環利用，二級厭氧罐出水的COD濃度為500mg/L，二級厭氧出水經氣浮處理后，送至好氧罐進行好氧曝氣處理。
二級厭氧水通過在好氧罐中的好氧曝氣操作，好氧裝置出水的COD濃度達到150mg/L，好氧出水部分送入廢水深度處理裝置繼續處理，好氧出水全部返回原料酶解單元作為拌料水使用，好氧出水回用率為80%，好氧罐排出的好氧污泥也全部返回一級厭氧罐進行厭氧改性，實現好氧污泥零排放。好氧罐出水送至廢水深度處理裝置，通過投加臭氧等方法對好氧水進行進一步深 度處理，深度處理后的污水COD濃度小于65mg/L，實現污水達標排放。
權利要求
1.一種纖維素乙醇生產方法，包括原料酶解、發酵、精餾脫水和廢醪液處理的生產單元，其特征是原料酶解單元的氣爆處理采用水蒸氣與CO2氣體混合后共同實現對纖維素原料的氣爆操作，操作壓力表壓為0. I 2. OMPa，操作溫度為100 240°C，混合汽中CO2摩爾百分數為1% 60%。
2.如權利要求I所述的纖維素乙醇生產方法，其特征是纖維素原料為玉米秸桿、麥秸、高粱秸桿、稻草、木薯秸桿或棉花秸桿的農業廢棄物；包括糠醛渣、木薯淀粉或木薯酒精的木薯渣的工業生產廢棄物；包括有廢紙及含纖維素成分城市垃圾。
3.如權利要求I的纖維素乙醇生產方法，其特征是原料酶解單元包括脫雜粉碎、氣爆處理、拌料罐、高溫滅菌、換熱器、離心濃縮、酶解罐和冷卻器，拌料罐制備的酶解反應液，在溫度為80 150°C滅菌，停留時間為5 30分鐘，高溫滅菌后的酶解反應液通過換熱器換熱冷卻后降至30 55°C后，送至離心濃縮裝置，然后送至酶解罐，進行酶解反應，離心濃縮裝置產生的清液作為拌料水預熱后返回拌料罐循環使用。
4.如權利要求I的纖維素乙醇生產方法，其特征是發酵單元的發酵過程中排出的CO2引入CO2洗滌塔，凈化后的CO2送至原料酶解單元氣爆裝置。
5.如權利要求I的纖維素乙醇生產方法，其特征是所述的精餾脫水單元的來自于發酵單元的發酵成熟醪，依次通過原料預熱器I和原料預熱器2 ;預熱后進入粗餾塔，預熱器I、預熱器2的加熱介質分別為粗餾塔釜采廢醪液、精塔釜采廢醪液。
6.如權利要求I的纖維素乙醇生產方法，其特征是所述的廢醪液處理單元的來自纖維素乙醇生產過程中的精餾脫水單元的液固兩相的廢醪液，通過預處理、一級全渣厭氧、液固分離、渣泥干燥、二級厭氧、氣浮、好氧曝氣及深度處理過程，一級全渣厭氧操作溫度為50 65°C，廢醪液經一級全渣厭氧處理后，一級厭氧罐排放的含有渣泥的消化出水送至液固分離裝置，清液送至二級厭氧罐。
7.如權利要求I的纖維素乙醇生產方法，其特征是所述的廢醪液處理單元包括一級全渣厭氧、液固分離、渣泥干燥、二級厭氧、氣浮的好氧曝氣過程，二級厭氧出水送至好氧罐進行好氧曝氣操作，好氧出水部分送入廢水深度處理裝置繼續處理，部分返回原料酶解單元作為拌料水使用，好氧罐排出的好氧污泥全部返回一級厭氧罐。
8.權利要求I的纖維素乙醇生產裝置，其特征是在原料酶解單元，拌料罐物料出口采用管線連接高溫滅菌裝置物料進口，高溫滅菌裝置加熱介質入口與高溫水蒸汽管線連接，高溫滅菌裝置熱物料出口通過管線連接換熱器熱物料進口，換熱器冷物料出口連接離心濃縮裝置物料進口，離心濃縮裝置清液出口通過管線連接換熱器冷物料進口管線，離心濃縮裝置濃縮液出口通過管線連接酶解罐物料進口，換熱器熱物料出口通過管線連接拌料罐拌料水進口管線，換熱器采用間壁式、全逆流換熱器。
全文摘要
本發明涉及一種纖維素乙醇生產裝置及方法。包括原料酶解、發酵、精餾脫水和廢醪液處理的生產單元，原料酶解單元的氣爆處理采用水蒸氣與CO2氣體混合后共同實現對纖維素原料的氣爆操作，操作壓力表壓為0.1～2.0MPa，操作溫度為100～240℃，混合汽中CO2摩爾百分數為1％～60％。本發明由于采用工藝廢水處理和回配等方法及裝置，解決了纖維素乙醇生產過程工藝水消耗量大、廢水處理困難等難題，實現了纖維素乙醇生產過程中好氧污泥的零排放。
文檔編號C12M1/04GK102643867SQ201210121068
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月23日 優先權日2012年4月23日
發明者劉成, 呂惠生, 張敏華, 李桂明, 耿中峰, 董秀芹, 馬靜 申請人:天津大學