一种光照加热的乙醇分层发酵的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明属于微生物发酵生产燃料乙醇的【技术领域】，具体涉及一种光照加热的乙醇分层发酵的方法及装置。将待发酵的原料糖液和糖液体积6％～10％的酵母菌液混合后置于光照和循环气流的体系中发酵，其中酵母菌沉淀在发酵液的底部将糖液发酵成为乙醇，光照加热使乙醇从发酵液的上表面蒸发，乙醇蒸汽被循环气流带离反应体系并经过冷凝成为较高浓度的乙醇溶液。该装置包括：循环气泵、乙醇发酵反应槽、冷凝器、乙醇储罐、隔光挡板、温控盘管、玻璃盖板，采用光照作为发酵反应的热源，降低了乙醇的生产成本，该反应装置乙醇的发酵和分离提纯同步进行，并且配有温控盘管对底部发酵液温度进行控制，使微生物处于最适宜的生长温度，极大的提高了乙醇的产率。
【专利说明】—种光照加热的乙醇分层发酵的方法及装置
【技术领域】
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[0001]本发明属于微生物发酵生产燃料乙醇的【技术领域】，具体涉及一种光照加热的乙醇分层发酵的方法及装置。
【背景技术】
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[0002]随着社会的发展，化石能源被迅速消耗，已渐枯竭，成为相对意义上的不可再生资源。世界各国开始致力于研究可再生能源物质，燃料乙醇作为可替代石油燃料的绿色新能源受到了国内外的广泛关注。
[0003]目前，以非粮食原料生产燃料乙醇将成为未来发展的趋势，主要以含纤维素、淀粉原料为主，但是纤维素原料的处理难度较大，导致乙醇浓度较低，增加了后续乙醇蒸馏处理的成本。因此，研究一种高效清洁的乙醇发酵技术，提高乙醇产出浓度，降低生产成本，对纤维素乙醇的商业化生产具有重要意义。
【发明内容】
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[0004]本发明的目的是提供一种光照加热的乙醇分层发酵的方法及装置，在光照的条件下，采用循环气流和冷凝的方法，在发酵的同时将乙醇初步分离提纯，使得乙醇的发酵和分离同时进行，在提高乙醇产率的同时降低了成本。
[0005]本发明的技术方案是:
[0006]一种光照加热的乙醇分层发酵的方法，将待发酵的原料糖液和糖液体积6%?10 %的酵母菌液混合后置于光照和循环气流的体系中发酵，其中酵母菌沉淀在发酵液的底部将糖液发酵成为乙醇，光照加热使乙醇从发酵液的上表面蒸发，乙醇蒸汽被循环气流带离反应体系并经过冷凝成为较高浓度的乙醇溶液。
[0007]所述的光照加热的乙醇分层发酵的方法，糖液为原料经超低酸或酶解处理的可发酵糖液作为发酵底物，糖液的原料来源为玉米秸杆、稻草、蔗渣或木薯。
[0008]所述的光照加热的乙醇分层发酵的方法，酵母菌液与糖液在原料糖液储槽中混匀后由底部的进料口进入乙醇发酵反应槽，加料开始的5?10小时内不光照，以便于酵母菌沉降到底部。
[0009]所述的光照加热的乙醇分层发酵的方法，乙醇发酵反应槽中的发酵液在光照加热时从上到下有温度梯度，发酵液表面温度在40?50°C，发酵液底部温度在25?30°C，从而形成温度梯度。
[0010]所述的光照加热的乙醇分层发酵的方法，光照加热的光源为白炽灯或太阳能，光照强度在500?800W/m2之间。
[0011]一种光照加热的乙醇分层发酵的装置，该装置包括:原料糖液储槽、乙醇发酵反应槽、循环气泵、冷凝器、乙醇储罐、隔光挡板、温控盘管、玻璃盖板，具体结构如下:
[0012]乙醇发酵反应槽上覆盖透明玻璃盖板，乙醇发酵反应槽内发酵液面下有孔洞交错的隔光挡板；乙醇发酵反应槽内发酵液的下部有温控盘管；发酵液面上方设有进气孔和出气孔，乙醇发酵反应槽的底部设有进料口和出料口；
[0013]乙醇发酵反应槽通过出气孔和管路依次与冷凝器、乙醇储罐、循环气泵相连，最终通过管路连接到进气孔形成闭合回路；
[0014]原料糖液储槽通过进料口与乙醇发酵反应槽相连。
[0015]所述的光照加热的乙醇分层发酵的装置，循环气流中的乙醇气体，通过冷凝器时冷凝为乙醇溶液，进入乙醇储罐，降低乙醇发酵槽中的产物抑制作用。
[0016]所述的光照加热的乙醇分层发酵的装置，乙醇发酵反应槽通过底部进料口与原料糖液储槽通过管路相连，所述进料口与原料糖液储槽相连的管路上设有输料泵。
[0017]所述的光照加热的乙醇分层发酵的装置，在乙醇发酵反应槽上方设置加热光源，加热光源为白炽灯或太阳能，其光照强度在500?800W/m2之间。
[0018]所述的光照加热的乙醇分层发酵的装置，乙醇发酵反应槽的高度在I?2米之间，乙醇发酵反应槽中发酵液深度在0.5?I米；乙醇发酵反应槽的底部和外侧包覆有保温层。
[0019]本发明的优点及有益效果是:
[0020]1、本发明提供一种在光照的条件下，采用循环气流和冷凝的方法，在发酵的同时将乙醇初步分离提纯的方法及装置，以光照加热代替传统石化热源，可真正实现绿色无污染；
[0021]2、本发明采用光照加热温度较低，可避免设备腐蚀问题，发酵反应槽可广泛适用于以秸杆、稻草、蔗渣、木薯等原料制备的各种浓度的糖液；
[0022]3、本发明的光源具有加热面大，加热相对缓慢的特点，配合隔光挡板和下部温控盘管，可使乙醇发酵液产生温度差，发酵液表面温度在40?50V，利于乙醇蒸发，发酵液底部温度在25?30°C，利于酵母菌发酵产乙醇，真正实现乙醇发酵和分离同时进行；
[0023]4、采用本发明发酵产生的CO2通过循环气泵在闭合回路中循环，将发酵液中挥发出来的乙醇带离反应槽，防止发酵液中乙醇积累局部浓度过高对酵母的抑制作用，进一步提高乙醇产率。
【专利附图】
【附图说明】
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[0024]图1为本发明光照加热的乙醇分层发酵的装置示意图。
[0025]图中，I循环气泵；2糖液储槽；3输料泵；4反应槽；5冷凝器；6乙醇储罐；7出料口 ；8保温层；9隔光挡板；10进气孔；11热电偶；12温控盘管；13进料口 ； 14冷却水上水口 ； 15冷却水回水口 ； 16螺旋盘管；17出气孔；18玻璃盖板；19温控器；20冷却液槽；21循环冷却泵；22冷却水管。
【具体实施方式】
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[0026]在【具体实施方式】中，本发明提供的一种光照加热的乙醇分层发酵方法，将待发酵的原料糖液和糖液体积6%?10%的酵母菌液混合后置于光照和循环气流的体系中发酵，其中酵母菌沉淀在发酵液的底部将糖液发酵成为乙醇，光照加热使乙醇从发酵液的上表面蒸发，乙醇蒸汽被循环气流带离反应体系并经过冷凝成为较高浓度(质量分数20%?40% )的乙醇溶液。
[0027]如图1所示，本发明光照加热的乙醇分层发酵装置，所述装置包括:循环气泵1、原料糖液储槽2、输料泵3、乙醇发酵反应槽4、冷凝器5、乙醇储罐6、出料口 7、保温层8、隔光挡板9、进气孔10、热电偶11、温控盘管12、进料口 13、冷却水上水口 14、冷却水回水口 15、螺旋盘管16、出气孔17、玻璃盖板18、温控器19、冷却液槽20、循环冷却泵21、冷却水管22等，具体结构如下:
[0028]乙醇发酵反应槽4上覆盖透明玻璃盖板18，乙醇发酵反应槽4内发酵液面下有2?5层(优选为2?3层)孔洞交错的隔光挡板9，起到对发酵液下部的隔热、隔光作用而不影响液体流动。乙醇发酵反应槽4内发酵液的下部有温控盘管12，热电偶11的一端伸至发酵液的底部测定发酵液的温度，热电偶11的另一端与温控器19相连，温控器19的输出端连接循环冷却泵21，循环冷却泵21的一端通过管路与冷却液槽20中的冷却液相通，循环冷却泵21的另一端通过管路连接温控盘管12的一端，温控盘管12的另一端连回冷却液槽20，从而可以防止发酵液下部的温度过高。乙醇发酵反应槽4内部发酵液面上方设有进气孔10和出气孔17，乙醇发酵反应槽4的底部设有进料口 13和出料口 7。
[0029]乙醇发酵反应槽4通过出气孔17和管路依次与冷凝器5、乙醇储罐6、循环气泵I相连，最终通过管路连接到进气孔10形成闭合回路。冷凝器5中的螺旋盘管16螺旋缠绕于冷凝器5中冷却水管22上，冷却水管22的两端分别连接冷却水上水口 14、冷却水回水口15，通过冷却水的循环流动将乙醇蒸汽冷凝成为乙醇溶液。循环气流中的乙醇气体，通过冷凝器时冷凝为乙醇溶液，进入乙醇储罐，降低乙醇发酵槽中的产物抑制作用。
[0030]另外，乙醇发酵反应槽4通过底部进料口 13与原料糖液储槽2通过管路相连，所述进料口 13与原料糖液储槽2相连的管路上设有输料泵3。乙醇发酵反应槽4的底部和外侧包覆有保温层8，起到为乙醇发酵反应槽4保温的作用。
[0031]在乙醇发酵反应槽4上方设置加热光源，加热光源为白炽灯或太阳能，其光照强度在500?800W/m2之间。乙醇发酵反应槽4的高度在I?2米之间，乙醇发酵反应槽4中发酵液深度在0.5?I米。
[0032]发酵底物为经超低酸或酶解处理的可发酵糖液，糖液的原料来源为玉米秸杆、稻草、蔗渣或木薯。酵母菌液与糖液在原料糖液储槽2中混匀后由底部的进料口进入乙醇发酵反应槽，加料开始的5?10小时内不光照，以便于酵母菌沉降到底部。乙醇发酵反应槽4中的发酵液由于上部的光照加热以及底部的温度控制，从而使发酵液从上到下形成温度梯度。发酵液表面温度在40?50°C，发酵液底部温度在25?30°C。
[0033]实施例:
[0034]将木薯进行酶解处理产生的质量分数15%的糖液和糖液体积10%的酵母菌液混合物共10吨，由原料糖液储槽2通过进料口 13进入乙醇发酵反应槽4，保持发酵液的液面低于进气孔10和出气孔17，高于挡光隔板9，密闭静置8小时。采用白炽灯作为光源照射，光照强度为600W/m2，发酵液表面的温度在45?50°C之间，乙醇发酵反应槽4中设有两层孔洞交错的隔光挡板9，避免光直接照射发酵液底部，又不影响乙醇的挥发、菌体的沉降和全部糖液的均一性，乙醇发酵反应槽4的下部设有温控盘管12，用来调节发酵液底部温度在28?30°C之间，使菌体处于最适宜的发酵温度。打开循环气泵1，发酵反应产生的CO2通过循环气泵I在闭合回路中循环，将发酵产生的挥发乙醇带离乙醇发酵反应槽4，减少产物的累积，提高乙醇的产率，被带离的乙醇气体通过冷凝器5液化为乙醇液体进入乙醇储罐。反应过程中由原料糖液储槽2向乙醇发酵反应槽4补充糖液，保持发酵液高度不变。当乙醇储罐6的液体体积为乙醇发酵反应槽4中加入的原糖液体积的1/3时，关闭循环气泵，打开乙醇发酵反应槽4的出料口 7，排出底部部分酵母菌，剩余糖液参与下一轮反应。乙醇储罐中的乙醇质量分数可以达到30%。
[0035] 实施例结果表明，本发明采用微生物发酵生产燃料乙醇，在光照的条件下，采用循环气流和冷凝的方法，在发酵的同时将乙醇初步分离提纯。以光照作为发酵反应的热源，降低了乙醇的生产成本，该反应装置乙醇的发酵和分离提纯同步进行，并且配有温控盘管对底部发酵液温度进行控制，使微生物处于最适宜的生长温度，极大的提高了乙醇的产率，在实际应用中具有可操作性和应用的可行性，既节约了成本，还具有很大的环保意义。
【权利要求】
1.一种光照加热的乙醇分层发酵的方法，其特征在于，将待发酵的原料糖液和糖液体积6%?10%的酵母菌液混合后置于光照和循环气流的体系中发酵，其中酵母菌沉淀在发酵液的底部将糖液发酵成为乙醇，光照加热使乙醇从发酵液的上表面蒸发，乙醇蒸汽被循环气流带离反应体系并经过冷凝成为较高浓度的乙醇溶液。
2.按照权利要求1所述的光照加热的乙醇分层发酵的方法，其特征在于，糖液为原料经超低酸或酶解处理的可发酵糖液作为发酵底物，糖液的原料来源为玉米秸杆、稻草、蔗渣或木薯。
3.按照权利要求1所述的光照加热的乙醇分层发酵的方法，其特征在于，酵母菌液与糖液在原料糖液储槽中混匀后由底部的进料口进入乙醇发酵反应槽，加料开始的5?10小时内不光照，以便于酵母菌沉降到底部。
4.按照权利要求1所述的光照加热的乙醇分层发酵的方法，其特征在于，乙醇发酵反应槽中的发酵液在光照加热时从上到下有温度梯度，发酵液表面温度在40?50°C，发酵液底部温度在25?30°C，从而形成温度梯度。
5.按照权利要求1所述的光照加热的乙醇分层发酵的方法，其特征在于，光照加热的光源为白炽灯或太阳能，光照强度在500?800W/m2之间。
6.一种权利要求1所述方法的光照加热的乙醇分层发酵的装置，其特征在于，该装置包括:原料糖液储槽、乙醇发酵反应槽、循环气泵、冷凝器、乙醇储罐、隔光挡板、温控盘管、玻璃盖板，具体结构如下: 乙醇发酵反应槽上覆盖透明玻璃盖板，乙醇发酵反应槽内发酵液面下有孔洞交错的隔光挡板；乙醇发酵反应槽内发酵液的下部有温控盘管；发酵液面上方设有进气孔和出气孔，乙醇发酵反应槽的底部设有进料口和出料口 ； 乙醇发酵反应槽通过出气孔和管路依次与冷凝器、乙醇储罐、循环气泵相连，最终通过管路连接到进气孔形成闭合回路； 原料糖液储槽通过进料口与乙醇发酵反应槽相连。
7.按照权利要求6所述的光照加热的乙醇分层发酵的装置，其特征在于，循环气流中的乙醇气体,通过冷凝器时冷凝为乙醇溶液,进入乙醇储罐，降低乙醇发酵槽中的产物抑制作用。
8.按照权利要求6所述的光照加热的乙醇分层发酵的装置，其特征在于，乙醇发酵反应槽通过底部进料口与原料糖液储槽通过管路相连，所述进料口与原料糖液储槽相连的管路上设有输料泵。
9.按照权利要求6所述的光照加热的乙醇分层发酵的装置，其特征在于，在乙醇发酵反应槽上方设置加热光源，加热光源为白炽灯或太阳能，其光照强度在500?800W/m2之间。
10.按照权利要求6所述的光照加热的乙醇分层发酵的装置，其特征在于，乙醇发酵反应槽的高度在I?2米之间，乙醇发酵反应槽中发酵液深度在0.5?I米；乙醇发酵反应槽的底部和外侧包覆有保温层。
【文档编号】C12P19/14GK104263761SQ201410441180
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】邵丽杰, 曹焱鑫, 闫昌国, 王晓明, 寇巍, 张大雷 申请人:辽宁省能源研究所