专利名称：一种纤维质乙醇木糖发酵同时分离乙醇的组合装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于纤维质乙醇生产过程中通过木糖发酵生产乙醇同时分离乙醇的技术，具体涉及一种纤维质乙醇木糖发酵同时分离乙醇的组合装置。
背景技术：
纤维质乙醇作为第二代生物乙醇，在缓解能源紧张和环境保护方面显示出巨大的应用前景，但要实现工业化生产还面临很多难题。提高木糖发酵生产乙醇的效率是其中的一个关键难题。在木糖发酵后期，产物乙醇浓度达到45g/L之后，会出现强烈的产物抑制， 因而会降低木糖代谢途径的乙醇生产率。如果能够将产物乙醇从发酵液中及时分离出去， 就可以解除对酵母发酵的抑制，从而提高乙醇的生产率。而现阶段对于提高木糖发酵效率的研究，大多数集中在木糖发酵酵母的驯化培养上，而对于从发酵液中分离乙醇的研究很少。
发明内容本实用新型的目的正是针对上述现有技术中所存在的问题而专门设计了木糖发酵同时分离乙醇的耦合装置，把木糖发酵液中的乙醇阶段性分离出来，以降低发酵液中的乙醇浓度，解除高浓度乙醇对木糖发酵的抑制，从而提高乙醇生产率。本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的本实用新型的纤维质乙醇木糖发酵同时分离乙醇的组合装置由发酵单元和分离单元组成，发酵单元包括发酵罐、设置在发酵罐进料口的换热器、布置在发酵罐出液口处的过滤器；分离单元包括纳滤膜组件、与纳滤膜组件清液出口连通的清液罐以及循环泵和流量计；纳滤膜组件的进液口通过进液泵与发酵罐的出液口相连接，纳滤膜组件的截留液出口与发酵罐的进料口通过管道相连接。在本实用新型中，布置在发酵罐出液口处的过滤器为脱脂棉过滤器或膜过滤器， 能实现酵母菌的分离，得到澄清的发酵液以进行下一步纳滤分离。纳滤膜组件为卷式膜结构，过滤方式为错流过滤。使用的纳滤膜由美国Filmtec 公司生产，型号为BW-30-4040。本实用新型各不同元件之间均由不锈钢管道根据进出料的口径大小连接。本实用新型的工作流程为木糖发酵达到一定乙醇浓度后，先使发酵液经过过滤器，目的是使发酵木糖的树干毕赤氏酵母菌体等滞留在发酵罐中。然后过滤液通过进液泵进入纳滤膜组件。在纳滤膜的作用下，木糖等大分子营养物质被截留并回流到发酵罐中继续发酵，而乙醇和部分水分等小分子物质则透过纳滤膜流入清液罐被分离出来。本实用新型的工作原理及优点是在木糖发酵过程中对发酵液进行处理，由于发酵液中酵母细胞体积较大，直接进入纳滤膜进行分离会对膜孔造成严重堵塞。所以本实用新型对发酵罐进行改装，在其底部出口处接上一个脱脂棉过滤器或膜过滤器，其作用是截下酵母菌细胞，使发酵液变得澄清，以便进入下一步的纳滤分离部分。而被滞留的酵母菌体在添加木糖、水等营养成分后在发酵罐中可以继续进行发酵。纳滤膜组件为螺旋卷式膜结构，作用原理近似于筛分原理，过滤方式为错流过滤。在纳滤膜作用下，木糖和乙醇由于分子量的差异被分开；在循环泵的压力推动下，发酵液沿卷式膜的表面流动，层层向内渗透。 木糖被截留在膜表面上，而乙醇透过膜，得到主要成分为木糖的截留液以及主要成分为乙醇的清液。截留液被截留在卷式膜的表面，一部分流回到发酵罐，在进液泵的作用下又进入纳滤膜组件进行分离；另一部分在分离单元的回路中进行循环。而清液透过纳滤膜，从卷式膜的空腔流出膜组件后进入清液罐。该工作方式能够实现发酵液循环经过纳滤膜，多次过滤之后得到清液。该技术方案实现了木糖发酵过程中产物乙醇的高效分离，同时发酵液中的酵母菌及木糖等营养物质得以回收利用。本装置耦合了木糖发酵过程及产物乙醇分离过程，实现了乙醇和木糖等的高效分离，为纤维质乙醇木糖发酵的工业化提供指导。
图1为本实用新型的示意图。图中木糖发酵部分为I，纳滤膜分离部分为II。1、换热器，2、发酵罐，3、进液泵4、过滤器，5、纳滤膜组件，6、循环泵，7、
流量计，8、清液罐。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施例对本实用新型专利作进一步详细说明。如附图1所示实施例，本实用新型包括木糖发酵部分I (换热器1、发酵罐2、进液泵3、过滤器4)和纳滤膜分离部分II (纳滤膜组件5、循环泵6、流量计7、清液罐8)。在发酵部分I，首先在发酵罐进行木糖的发酵，产物乙醇积累到45g/L以后，启动进液泵3，将发酵液从发酵罐中抽出，在进液泵3的作用下，发酵液会先通过过滤器4，然后进入纳滤膜分离部分II。在纳滤膜分离部分II，经过滤器处理后的发酵液进入纳滤膜组件5，并在循环泵6 的作用下进入膜分离阶段。流量计7的作用在于显示发酵液流经纳滤膜的流量，若流量异常，可通过调节循环泵6的压力来控制流量。换热器1的作用在于在循环泵6工作时会把机械能转化为热能，所以经过纳滤膜分离阶段的截留液温度上升较快，最高达到50°C。而发酵罐中树干毕赤氏酵母发酵的最适宜温度为25°C，所以需要降低截留液的温度，以保证发酵液的温度接近该酵母发酵的最适宜温度。由图1可看出，纳滤膜组件5、循环泵6、流量计 7组成第一个循环回路；纳滤膜组件5，换热器1，发酵罐2，过滤器4，进液泵3组成第二个循环回路。在第一个回路中，在循环泵6的压力推动下，发酵液经纳滤膜过滤后，分别得到截留液和清液。截留液一部分回流到发酵罐2，在进液泵3的作用下再次进入纳滤膜组件； 另一部分在第二个回路中循环经过纳滤膜，而清液从卷式膜的中空管中流出进入清液罐8。 这样，在进液泵3和循环泵6的作用下，发酵罐中一边有溶液流出达到纳滤膜组件，一边有截留液流回到发酵罐，两个循环回路同时在运行，实现了发酵液的多次循环过滤。作用一段时间后，即达到分离效果，在发酵罐2得到截留液，主要成分为木糖；在清液罐8得到清液， 主要成分为乙醇。实施例结果表1为本实施例的实验结果。使用的纳滤膜由美国Filmtec公司生产，型号为 BW-30-4040。结果显示，100L乙醇浓度为45g/L的发酵液在纳滤膜的作用下，89. 2%的乙醇透过纳滤膜分离出来，发酵液中乙醇的浓度从45g/L降低到15g/L，解除了发酵的产物抑制；98. 7%的木糖被纳滤膜截留，意味着木糖等营养物质绝大部分都可以回收利用。表 1
处理量纳滤膜型号木糖截留率乙醇透过率100LBW30-4040 (Filmtec 公司)98. 7%89. 2%
权利要求1.一种纤维质乙醇木糖发酵同时分离乙醇的组合装置，其特征在于由发酵单元和分离单元组成，发酵单元包括发酵罐、设置在发酵罐进料口的换热器、布置在发酵罐出液口处的过滤器；分离单元包括纳滤膜组件、与纳滤膜组件清液出口连通的清液罐以及循环泵和流量计；纳滤膜组件的进液口通过进液泵与发酵罐的出液口相连接，纳滤膜组件的截留液出口与发酵罐的进料口通过管道相连接。
2.根据权利要求1所述的纤维质乙醇木糖发酵同时分离乙醇的组合装置，其特征在于布置在发酵罐出液口处的过滤器为脱脂棉过滤器或膜过滤器。
3.根据权利要求1所述的纤维质乙醇木糖发酵同时分离乙醇的组合装置，其特征在于纳滤膜组件为卷式膜结构，过滤方式为错流过滤。
专利摘要一种纤维质乙醇木糖发酵同时分离乙醇的组合装置，其特征在于由发酵单元和分离单元组成，发酵单元包括发酵罐、设置在发酵罐进料口的换热器、布置在发酵罐出液口处的过滤器；分离单元包括纳滤膜组件、与纳滤膜组件清液出口连通的清液罐以及循环泵和流量计；纳滤膜组件的进液口通过进液泵与发酵罐的出液口相连接，纳滤膜组件的截留液出口与发酵罐的进料口通过管道相连接。本装置耦合了木糖发酵过程及产物乙醇分离过程，实现了乙醇和木糖等的高效分离，为纤维质乙醇木糖发酵的工业化提供指导。本装置设计的目的在于把木糖发酵液中的乙醇阶段性分离出来，以降低发酵液中的乙醇浓度，解除高浓度乙醇对木糖发酵的抑制，从而提高乙醇生产率。
文档编号C07C29/76GK202039062SQ201120167188
公开日2011年11月16日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者丁长河, 惠明, 李孟醒, 杨盛茹, 王向向 申请人:河南工业大学