专利名称：一种基于甜高粱茎杆固体发酵制备乙醇的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固态发酵生产乙醇的技术与系统，特别是一种基于甜高粱茎杆固体发酵生产乙醇的技术与装备，属于固态发酵生产乙醇技术领域。
背景技术：
步入21世纪后，为了实现能源、环境和经济的持续协调发展，包括中国在内的世界各国都致力于可再生能源开发，以加速能源结构调整步伐。因此，研发可再生的生物质能源具有重要战略意义。为探索替代石油能源的途径，国际研发机构瞄准了借助光合作用有效利用太阳能的绿色能源作物——甜高粱。甜高粱茎秆生产乙醇主要采用固态和液态两种发酵方式。液态发酵一般是将鲜甜高粱茎秆进行榨汁，汁液进行液态发酵，而压榨后的固体物未加以作发酵用，其中还残留有许多糖分，同时，液态发酵的乙醇产率相对较低，使得工业化液态发酵生产较为困难；固态法是将甜高粱杆粉碎后直接发酵，固态发酵生产燃料乙醇具有独特的优势，能够从根本上克服液态发酵工艺路线的先天性不足，降低对原料预处理强度的要求，显著提高产乙醇率，但是，目前由于固态发酵采用传统的白酒酿造工艺，发酵周期延长，其生产成本居高不下。因此，开发新型固态发酵装置是缩短发酵时间、大幅度降低生产成本的当务之急。
本发明公开的新型的固态发酵技术及其配套的关键设备，能够显著缩短发酵时间和降低生产成本，极大提高产乙醇率，将对生物质的资源化和能源化多途径发展等方面能取得满意效果。
发明内容
本发明的目的是针对当前甜高粱乙醇生产过程中液态发酵存在的原料预处理成本高、发酵周期长和固态发酵采用传统酿酒工艺效率低等缺陷，以本发明选育和改良成功的乙醇发酵菌种和固体发酵技术为基础，配合转鼓式固态发酵罐集成工艺，以缩短发酵时间，并提高产乙醇产率，进而与固态蒸馏等后续处理单元匹配，实现甜高粱茎杆发酵制取燃料乙醇新工艺的商业化生产。
本发明提出的一种基于甜高粱茎杆固体发酵制备乙醇的方法，其特征在于所述方法含有以下工艺步骤(1)原料粉碎用粉碎机对成熟的甜高粱茎杆进行粉碎作为发酵原料；(2)菌种添加在固态发酵罐的接种口处向发酵原料中添加乙醇菌种；(3)固态发酵将上述添加了菌种的发酵原料在斜面转鼓式固态发酵罐中进行发酵，
使可发酵糖转化为乙醇；(4)固态蒸馏对发酵料进行固态蒸馏处理而得到乙醇。
在上述的方法中，所述步骤1的原料粉碎是将成熟后的甜高粱秸秆粉碎到直径1～2mm，长度小于30mm后通过输送机送入固态发酵罐的进料仓。
在上述的方法中，所述步骤2的菌种添加是在斜面转鼓式固态发酵罐的接种口处添加乙醇菌种，所述步骤3斜面转鼓式固态发酵罐通过自身的转动实现发酵原料的不断向出料口方向运动，其接种量为10％(V/V)，发酵时间48hr以内，搅拌转速控制在1-20rpm。
在上述的方法中，所述步骤4的固体蒸馏是在固体蒸馏塔中进行，斜面转鼓式固态发酵罐出口的发酵料分批放入蒸馏塔中进行固态蒸馏，每批蒸馏时间小于1小时，蒸汽锅炉产生的蒸汽进入蒸馏塔底部的两个直径不同且均匀分布气孔的气体分布器后对发酵料进行固态蒸馏，蒸馏后的气体通过冷凝冷却器后生产的乙醇收集在乙醇收集罐中。
本发明提出的一种基于甜高粱茎杆固体发酵制备乙醇的系统，其特征在于所述系统含有粉碎机(1)，输送机(2)，进料仓(3)，绞轮进料装置(4)，进料口(5)，菌种接种口(6)，转鼓式固态发酵罐罐体(8)，控制元件(9)，出料口(10)，拖轮机构(11)，控制元件(12)，酵料收藏室(14)，蒸馏塔塔体(15)，蒸汽锅炉(16)，气体分布器(17)，冷凝冷却器(18)，乙醇接收罐(19)；所述输送机(2)的一端与粉碎机(1)相连，另一端与进料仓(3)相连；所述绞轮进料装置(4)将进料仓(3)的粉碎料通过进料口(5)送入转鼓式固态发酵罐(8)；所述在转鼓式固态发酵罐(8)的上部设置菌种接种口(6)；所述转鼓式固态发酵罐罐体(8)通过设置在罐体上的控制元件(9)控制电机(13)并带动拖轮机构(11)转动，拖轮机构(11)驱动转鼓式固态发酵罐罐体(8)进行回转运动，带动罐体内的物料不断的向出料口方向运动；所述在罐体(8)的末端设置出料口(10)，将发酵料排入到发酵料收藏室(14)；所述固态蒸馏装置的蒸馏塔塔体(15)与蒸汽锅炉(16)相连，且在蒸馏塔(15)的底部设置有两个尺寸不相同的气体分布器(17)，所述蒸汽锅炉(16)产生的高压蒸汽通过管路进入两个气体分布器(17)中；所述在两个气体分布器(17)中均匀布置了布气孔，使蒸汽均匀的进入蒸馏塔塔体(15)中的发酵料中进行蒸馏，蒸馏产生的乙醇蒸汽通过塔体(15)顶部的管路进入冷凝冷却器(18)，冷凝后收集在乙醇接收罐(19)中。
本发明具有以下优点(1)通过固态发酵，可以利用甜高粱茎杆中所有的可发酵糖份，提高乙醇的转化效率；
(2)通过添加高效、高产乙醇的菌种，使固态发酵周期缩短为2天，提高了发酵罐的利用率和生产效率；(3)采用斜面转鼓式固态发酵罐可以充分搅拌发酵原料和实现连续生产，实现甜高粱为原料商业化生产乙醇；(4)固体蒸馏中采用均匀布气的气体分布器，提高蒸汽分布器效率减少了蒸馏过程的能耗。
附图1本发明优选的处理工艺的基本组成示意图。
附图2斜面转鼓式固态发酵罐中抄板结构示意图。
附图3固体蒸馏塔中气体分布器结构示意图。
菌种保藏情况说明分类命名酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae；保藏单位及地址中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，北京市海淀区中关村北一条13号；保藏日期，2007年3月6日；保藏编号TSH-Sc-001，登记入册编号，1949。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明本发明采用的技术方案是该固态发酵生产乙醇的技术和装备包括以下工序和配套装备(5)原料粉碎选择合适的粉碎机对成熟的甜高粱茎杆进行粉碎；(6)菌种添加在固态发酵罐的接种口处向发酵原料中添加高效、高产乙醇的菌种；(7)固态发酵添加了菌种的发酵原料在斜面转鼓式固态发酵罐进行发酵处理；(8)固态蒸馏对固态发酵料进行蒸馏处理而得到乙醇。
所述的原料粉碎工序是将成熟后的甜高粱秸秆粉碎成一定的长度后通过皮带输送机送入固态发酵罐的进料仓；所述的菌种添加工序是在斜面转鼓式固态发酵罐的接种口处添加高效、高产乙醇的菌种；该菌种添加以后能够把传统的固体发酵乙醇时间由至少3天以上缩短到2天以下；所述的固态发酵工序是在特殊设计的斜面转鼓式固态发酵罐进行，发酵时间为2天，该斜面转鼓式固态发酵罐通过自身的转动实现发酵原料的不断向出料口方向运动，转鼓内部的抄板结构能够使发酵原料向出料口运动的同时充分的混合，提高发酵效率，并能够实现连续商业化生产；所述的固体蒸馏工序是在固体蒸馏塔中进行，斜面转鼓式固态发酵罐出口的发酵料分批放入蒸馏塔中进行固态蒸馏，每批蒸馏时间小于1小时，蒸汽锅炉产生的蒸汽进入蒸馏塔底部的2个直径不同且均匀分布气孔的气体分布器后对发酵料进行固态蒸馏，蒸馏后的气体通过冷凝冷却器后将乙醇收集在乙醇收集罐中。
请见图1～3。图中1为甜高粱茎杆粉碎机，2为皮带输送机，3为进料仓，4为绞轮进料装置，5为进料口，6为菌种接种口，7为发酵菌种，8为斜面转鼓式固态发酵罐罐体，9为排气口，10为出料口，11为拖轮机构，12为控制元件，13为转动电机，14为发酵料收藏室，15为蒸馏塔塔体，16为蒸汽锅炉，17为气体分布器，18为冷凝冷却器，19为乙醇接收罐，20为抄板结构，21为搅拌齿。
在附图的实施中，成熟的甜高粱茎杆通过秸秆粉碎机1粉碎后由皮带输送机2输送到转鼓式固态发酵罐8的进料口5，高效的乙醇发酵菌7通过菌种接种口均匀的撒入通过进料口5进来的发酵料中，促进发酵料的快速发酵，斜面转鼓式固态发酵罐罐体8通过控制元件9控制电机13并带动拖轮机构11的转动，拖轮机构11将驱动斜面转鼓式固态发酵罐罐体8进行回转运动，从而带动罐体内的物料不断的向出料口方向运动，同时罐体内部的抄板机构20中的搅拌齿21在同步转动中带动发酵料充分的搅拌混合，在发酵过程中产生的气体将通过排气口9向外排出，而发酵料从进料口5进入并在罐体8中运动发酵2天后从出料口10排出到发酵料收藏室14，该发酵料收集到一定量以后，将搬入固态蒸馏装置的蒸馏塔塔体15中，同时蒸汽锅炉16产生的高压蒸汽通过管路进入蒸馏塔15底部的两个尺寸不相同的气体分布器17中，而气体分布器17由于均匀的布置了布气孔，使的蒸汽能够均匀的进入甑桶15中的发酵料中进行蒸馏，蒸馏产生的乙醇蒸汽通过甑桶15顶部的管路进入冷凝冷却器18，通过冷凝以后收集在乙醇接收罐19中。
实施例1以含水量70％，锤度为15°(实际茎秆总糖含量为9-10％，还原糖4-5％)的甜高梁秆为原料，经切割与粉碎成丝状(直径1～2mm，长度小于30mm)，通过本发明选育培养的TSH-Sc-001(中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，登记入册编号，1949，保藏日期，2007年3月6日)菌种直接在固体发酵罐中进行固态发酵，接种量为10％(V/V)，发酵时间48hr，搅拌转速控制在1-20rpm。蒸馏后得到乙醇，乙醇收率为4.23g/100g高粱秆，转化率为乙醇理论收率的87.16％；残留总糖含量为0.37％，还原糖含量为0.20％。
实施例2以1吨含水量68％，锤度为18°(实际茎秆总糖含量为13％，还原糖6％)的甜高梁秆为原料，经切割与粉碎成丝状(直径1～2mm，长度小于30mm)，通过本发明选育培养的TSH-Sc-001(中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，登记入册编号，1949，保藏日期，2007年3月6日)菌种直接在固体发酵罐中进行固态发酵，接种量为10％(V/V)，发酵时间44hr，搅拌转速控制在1-20rpm。蒸馏后得到乙醇60.5公斤，乙醇收率为6.05Kg/100Kg高粱秆，转化率为乙醇理论收率的90.36％；残留总糖含量为0.751％，还原糖含量为0.375％。
权利要求
1.一种基于甜高粱茎杆固体发酵制备乙醇的方法，其特征在于所述方法含有以下工艺步骤(1)原料粉碎用粉碎机对成熟的甜高粱茎杆进行粉碎作为发酵原料；(2)菌种添加在固态发酵罐的接种口处向发酵原料中添加乙醇菌种；(3)固态发酵将上述添加了菌种的发酵原料在斜面转鼓式固态发酵罐中进行发酵，使可发酵糖转化为乙醇；(4)固态蒸馏对发酵料进行固态蒸馏处理而得到乙醇。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤1的原料粉碎是将成熟后的甜高粱秸秆粉碎到直径1～2mm，长度小于30mm后通过输送机送入固态发酵罐的进料仓。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤2的菌种添加是在斜面转鼓式固态发酵罐的接种口处添加乙醇菌种，所述步骤3斜面转鼓式固态发酵罐通过自身的转动实现发酵原料的不断向出料口方向运动，其接种量为10％(V/V)，发酵时间48hr，搅拌转速控制在1-20rpm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤4的固体蒸馏是在固体蒸馏塔中进行，斜面转鼓式固态发酵罐出口的发酵料分批放入蒸馏塔中进行固态蒸馏，每批蒸馏时间小于1小时，蒸汽锅炉产生的蒸汽进入蒸馏塔底部的两个直径不同且均匀分布气孔的气体分布器后对发酵料进行固态蒸馏，蒸馏后的气体通过冷凝冷却器后生产的乙醇收集在乙醇收集罐中。
5.一种实现基于甜高粱茎杆固体发酵制备乙醇方法的系统，其特征在于所述系统含有粉碎机(1)，输送机(2)，进料仓(3)，绞轮进料装置(4)，进料口(5)，菌种接种口(6)，转鼓式固态发酵罐罐体(8)，控制元件(9)，出料口(10)，拖轮机构(11)，控制元件(12)，酵料收藏室(14)，蒸馏塔塔体(15)，蒸汽锅炉(16)，气体分布器(17)，冷凝冷却器(18)，乙醇接收罐(19)；所述输送机(2)的一端与粉碎机(1)相连，另一端与进料仓(3)相连；所述绞轮进料装置(4)将进料仓(3)的粉碎料通过进料口(5)送入转鼓式固态发酵罐(8)；所述在转鼓式固态发酵罐(8)的上部设置菌种接种口(6)；所述转鼓式固态发酵罐罐体(8)通过设置在罐体上的控制元件(9)控制电机(13)并带动拖轮机构(11)转动，拖轮机构(11)驱动转鼓式固态发酵罐罐体(8)进行回转运动，带动罐体内的物料不断的向出料口方向运动；所述在罐体(8)的末端设置出料口(10)，将发酵料排入到发酵料收藏室(14)；所述固态蒸馏装置的蒸馏塔塔体(15)与蒸汽锅炉(16)相连，且在蒸馏塔(15)的底部设置有两个尺寸不相同的气体分布器(17)，所述蒸汽锅炉(16)产生的高压蒸汽通过管路进入两个气体分布器(17)中；所述在两个气体分布器(17)中均匀布置了布气孔，使蒸汽均匀的进入蒸馏塔塔体(15)中的发酵料中进行蒸馏，蒸馏产生的乙醇蒸汽通过塔体(15)顶部的管路进入冷凝冷却器(18)，冷凝后收集在乙醇接收罐(19)中。
全文摘要
本发明涉及一种基于甜高粱茎杆固体发酵制备乙醇的方法及系统，属于固态发酵生产乙醇技术领域。所述方法主要包括以下关键工序和装置原料粉碎选择合适的粉碎机对甜高粱茎杆进行粉碎；菌种添加固态发酵罐的入口处添加乙醇菌种；固态发酵添加了菌种的发酵原料在斜面转鼓式固态发酵罐进行发酵；固态蒸馏对固态发酵料进行蒸馏处理得到乙醇。本发明由于用固态发酵，可以利用甜高粱茎杆中所有的可发酵糖份，提高乙醇的转化效率；由于添加高效、高产乙醇的菌种，使固态发酵周期缩短为2天以下；采用斜面转鼓式固态发酵罐可以充分搅拌发酵原料，改善传质和实现连续生产；采用均匀布气的气体分布器，提高蒸汽分布器效率减少了固体蒸馏过程的能耗。
文档编号C12M1/00GK101033476SQ200710080388
公开日2007年9月12日 申请日期2007年3月9日 优先权日2007年1月8日
发明者李十中 申请人:清华大学