一種光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于微生物發(fā)酵生產燃料乙醇的【技術領域】，具體涉及一種光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法及裝置。將待發(fā)酵的原料糖液和糖液體積6％～10％的酵母菌液混合后置于光照和循環(huán)氣流的體系中發(fā)酵，其中酵母菌沉淀在發(fā)酵液的底部將糖液發(fā)酵成為乙醇，光照加熱使乙醇從發(fā)酵液的上表面蒸發(fā)，乙醇蒸汽被循環(huán)氣流帶離反應體系并經過冷凝成為較高濃度的乙醇溶液。該裝置包括：循環(huán)氣泵、乙醇發(fā)酵反應槽、冷凝器、乙醇儲罐、隔光擋板、溫控盤管、玻璃蓋板，采用光照作為發(fā)酵反應的熱源，降低了乙醇的生產成本，該反應裝置乙醇的發(fā)酵和分離提純同步進行，并且配有溫控盤管對底部發(fā)酵液溫度進行控制，使微生物處于最適宜的生長溫度，極大的提高了乙醇的產率。
【專利說明】—種光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法及裝置

【技術領域】
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[0001]本發(fā)明屬于微生物發(fā)酵生產燃料乙醇的【技術領域】，具體涉及一種光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法及裝置。

【背景技術】
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[0002]隨著社會的發(fā)展，化石能源被迅速消耗，已漸枯竭，成為相對意義上的不可再生資源。世界各國開始致力于研究可再生能源物質，燃料乙醇作為可替代石油燃料的綠色新能源受到了國內外的廣泛關注。
[0003]目前，以非糧食原料生產燃料乙醇將成為未來發(fā)展的趨勢，主要以含纖維素、淀粉原料為主，但是纖維素原料的處理難度較大，導致乙醇濃度較低，增加了后續(xù)乙醇蒸餾處理的成本。因此，研究一種高效清潔的乙醇發(fā)酵技術，提高乙醇產出濃度，降低生產成本，對纖維素乙醇的商業(yè)化生產具有重要意義。


【發(fā)明內容】

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[0004]本發(fā)明的目的是提供一種光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法及裝置，在光照的條件下，采用循環(huán)氣流和冷凝的方法，在發(fā)酵的同時將乙醇初步分離提純，使得乙醇的發(fā)酵和分離同時進行，在提高乙醇產率的同時降低了成本。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:
[0006]一種光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法，將待發(fā)酵的原料糖液和糖液體積6%?10 %的酵母菌液混合后置于光照和循環(huán)氣流的體系中發(fā)酵，其中酵母菌沉淀在發(fā)酵液的底部將糖液發(fā)酵成為乙醇，光照加熱使乙醇從發(fā)酵液的上表面蒸發(fā)，乙醇蒸汽被循環(huán)氣流帶離反應體系并經過冷凝成為較高濃度的乙醇溶液。
[0007]所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法，糖液為原料經超低酸或酶解處理的可發(fā)酵糖液作為發(fā)酵底物，糖液的原料來源為玉米秸桿、稻草、蔗渣或木薯。
[0008]所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法，酵母菌液與糖液在原料糖液儲槽中混勻后由底部的進料口進入乙醇發(fā)酵反應槽，加料開始的5?10小時內不光照，以便于酵母菌沉降到底部。
[0009]所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法，乙醇發(fā)酵反應槽中的發(fā)酵液在光照加熱時從上到下有溫度梯度，發(fā)酵液表面溫度在40?50°C，發(fā)酵液底部溫度在25?30°C，從而形成溫度梯度。
[0010]所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法，光照加熱的光源為白熾燈或太陽能，光照強度在500?800W/m2之間。
[0011]一種光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的裝置，該裝置包括:原料糖液儲槽、乙醇發(fā)酵反應槽、循環(huán)氣泵、冷凝器、乙醇儲罐、隔光擋板、溫控盤管、玻璃蓋板，具體結構如下:
[0012]乙醇發(fā)酵反應槽上覆蓋透明玻璃蓋板，乙醇發(fā)酵反應槽內發(fā)酵液面下有孔洞交錯的隔光擋板；乙醇發(fā)酵反應槽內發(fā)酵液的下部有溫控盤管；發(fā)酵液面上方設有進氣孔和出氣孔，乙醇發(fā)酵反應槽的底部設有進料口和出料口；
[0013]乙醇發(fā)酵反應槽通過出氣孔和管路依次與冷凝器、乙醇儲罐、循環(huán)氣泵相連，最終通過管路連接到進氣孔形成閉合回路；
[0014]原料糖液儲槽通過進料口與乙醇發(fā)酵反應槽相連。
[0015]所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的裝置，循環(huán)氣流中的乙醇氣體，通過冷凝器時冷凝為乙醇溶液，進入乙醇儲罐，降低乙醇發(fā)酵槽中的產物抑制作用。
[0016]所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的裝置，乙醇發(fā)酵反應槽通過底部進料口與原料糖液儲槽通過管路相連，所述進料口與原料糖液儲槽相連的管路上設有輸料泵。
[0017]所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的裝置，在乙醇發(fā)酵反應槽上方設置加熱光源，加熱光源為白熾燈或太陽能，其光照強度在500?800W/m2之間。
[0018]所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的裝置，乙醇發(fā)酵反應槽的高度在I?2米之間，乙醇發(fā)酵反應槽中發(fā)酵液深度在0.5?I米；乙醇發(fā)酵反應槽的底部和外側包覆有保溫層。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是:
[0020]1、本發(fā)明提供一種在光照的條件下，采用循環(huán)氣流和冷凝的方法，在發(fā)酵的同時將乙醇初步分離提純的方法及裝置，以光照加熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)石化熱源，可真正實現綠色無污染；
[0021]2、本發(fā)明采用光照加熱溫度較低，可避免設備腐蝕問題，發(fā)酵反應槽可廣泛適用于以秸桿、稻草、蔗渣、木薯等原料制備的各種濃度的糖液；
[0022]3、本發(fā)明的光源具有加熱面大，加熱相對緩慢的特點，配合隔光擋板和下部溫控盤管，可使乙醇發(fā)酵液產生溫度差，發(fā)酵液表面溫度在40?50V，利于乙醇蒸發(fā)，發(fā)酵液底部溫度在25?30°C，利于酵母菌發(fā)酵產乙醇，真正實現乙醇發(fā)酵和分離同時進行；
[0023]4、采用本發(fā)明發(fā)酵產生的CO2通過循環(huán)氣泵在閉合回路中循環(huán)，將發(fā)酵液中揮發(fā)出來的乙醇帶離反應槽，防止發(fā)酵液中乙醇積累局部濃度過高對酵母的抑制作用，進一步提高乙醇產率。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0024]圖1為本發(fā)明光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的裝置示意圖。
[0025]圖中，I循環(huán)氣泵；2糖液儲槽；3輸料泵；4反應槽；5冷凝器；6乙醇儲罐；7出料口 ；8保溫層；9隔光擋板；10進氣孔；11熱電偶；12溫控盤管；13進料口 ； 14冷卻水上水口 ； 15冷卻水回水口 ； 16螺旋盤管；17出氣孔；18玻璃蓋板；19溫控器；20冷卻液槽；21循環(huán)冷卻泵；22冷卻水管。

【具體實施方式】
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[0026]在【具體實施方式】中，本發(fā)明提供的一種光照加熱的乙醇分層發(fā)酵方法，將待發(fā)酵的原料糖液和糖液體積6%?10%的酵母菌液混合后置于光照和循環(huán)氣流的體系中發(fā)酵，其中酵母菌沉淀在發(fā)酵液的底部將糖液發(fā)酵成為乙醇，光照加熱使乙醇從發(fā)酵液的上表面蒸發(fā)，乙醇蒸汽被循環(huán)氣流帶離反應體系并經過冷凝成為較高濃度(質量分數20%?40% )的乙醇溶液。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明光照加熱的乙醇分層發(fā)酵裝置，所述裝置包括:循環(huán)氣泵1、原料糖液儲槽2、輸料泵3、乙醇發(fā)酵反應槽4、冷凝器5、乙醇儲罐6、出料口 7、保溫層8、隔光擋板9、進氣孔10、熱電偶11、溫控盤管12、進料口 13、冷卻水上水口 14、冷卻水回水口 15、螺旋盤管16、出氣孔17、玻璃蓋板18、溫控器19、冷卻液槽20、循環(huán)冷卻泵21、冷卻水管22等，具體結構如下:
[0028]乙醇發(fā)酵反應槽4上覆蓋透明玻璃蓋板18，乙醇發(fā)酵反應槽4內發(fā)酵液面下有2?5層(優(yōu)選為2?3層)孔洞交錯的隔光擋板9，起到對發(fā)酵液下部的隔熱、隔光作用而不影響液體流動。乙醇發(fā)酵反應槽4內發(fā)酵液的下部有溫控盤管12，熱電偶11的一端伸至發(fā)酵液的底部測定發(fā)酵液的溫度，熱電偶11的另一端與溫控器19相連，溫控器19的輸出端連接循環(huán)冷卻泵21，循環(huán)冷卻泵21的一端通過管路與冷卻液槽20中的冷卻液相通，循環(huán)冷卻泵21的另一端通過管路連接溫控盤管12的一端，溫控盤管12的另一端連回冷卻液槽20，從而可以防止發(fā)酵液下部的溫度過高。乙醇發(fā)酵反應槽4內部發(fā)酵液面上方設有進氣孔10和出氣孔17，乙醇發(fā)酵反應槽4的底部設有進料口 13和出料口 7。
[0029]乙醇發(fā)酵反應槽4通過出氣孔17和管路依次與冷凝器5、乙醇儲罐6、循環(huán)氣泵I相連，最終通過管路連接到進氣孔10形成閉合回路。冷凝器5中的螺旋盤管16螺旋纏繞于冷凝器5中冷卻水管22上，冷卻水管22的兩端分別連接冷卻水上水口 14、冷卻水回水口15，通過冷卻水的循環(huán)流動將乙醇蒸汽冷凝成為乙醇溶液。循環(huán)氣流中的乙醇氣體，通過冷凝器時冷凝為乙醇溶液，進入乙醇儲罐，降低乙醇發(fā)酵槽中的產物抑制作用。
[0030]另外，乙醇發(fā)酵反應槽4通過底部進料口 13與原料糖液儲槽2通過管路相連，所述進料口 13與原料糖液儲槽2相連的管路上設有輸料泵3。乙醇發(fā)酵反應槽4的底部和外側包覆有保溫層8，起到為乙醇發(fā)酵反應槽4保溫的作用。
[0031]在乙醇發(fā)酵反應槽4上方設置加熱光源，加熱光源為白熾燈或太陽能，其光照強度在500?800W/m2之間。乙醇發(fā)酵反應槽4的高度在I?2米之間，乙醇發(fā)酵反應槽4中發(fā)酵液深度在0.5?I米。
[0032]發(fā)酵底物為經超低酸或酶解處理的可發(fā)酵糖液，糖液的原料來源為玉米秸桿、稻草、蔗渣或木薯。酵母菌液與糖液在原料糖液儲槽2中混勻后由底部的進料口進入乙醇發(fā)酵反應槽，加料開始的5?10小時內不光照，以便于酵母菌沉降到底部。乙醇發(fā)酵反應槽4中的發(fā)酵液由于上部的光照加熱以及底部的溫度控制，從而使發(fā)酵液從上到下形成溫度梯度。發(fā)酵液表面溫度在40?50°C，發(fā)酵液底部溫度在25?30°C。
[0033]實施例:
[0034]將木薯進行酶解處理產生的質量分數15%的糖液和糖液體積10%的酵母菌液混合物共10噸，由原料糖液儲槽2通過進料口 13進入乙醇發(fā)酵反應槽4，保持發(fā)酵液的液面低于進氣孔10和出氣孔17，高于擋光隔板9，密閉靜置8小時。采用白熾燈作為光源照射，光照強度為600W/m2，發(fā)酵液表面的溫度在45?50°C之間，乙醇發(fā)酵反應槽4中設有兩層孔洞交錯的隔光擋板9，避免光直接照射發(fā)酵液底部，又不影響乙醇的揮發(fā)、菌體的沉降和全部糖液的均一性，乙醇發(fā)酵反應槽4的下部設有溫控盤管12，用來調節(jié)發(fā)酵液底部溫度在28?30°C之間，使菌體處于最適宜的發(fā)酵溫度。打開循環(huán)氣泵1，發(fā)酵反應產生的CO2通過循環(huán)氣泵I在閉合回路中循環(huán)，將發(fā)酵產生的揮發(fā)乙醇帶離乙醇發(fā)酵反應槽4，減少產物的累積，提高乙醇的產率，被帶離的乙醇氣體通過冷凝器5液化為乙醇液體進入乙醇儲罐。反應過程中由原料糖液儲槽2向乙醇發(fā)酵反應槽4補充糖液，保持發(fā)酵液高度不變。當乙醇儲罐6的液體體積為乙醇發(fā)酵反應槽4中加入的原糖液體積的1/3時，關閉循環(huán)氣泵，打開乙醇發(fā)酵反應槽4的出料口 7，排出底部部分酵母菌，剩余糖液參與下一輪反應。乙醇儲罐中的乙醇質量分數可以達到30%。
[0035] 實施例結果表明，本發(fā)明采用微生物發(fā)酵生產燃料乙醇，在光照的條件下，采用循環(huán)氣流和冷凝的方法，在發(fā)酵的同時將乙醇初步分離提純。以光照作為發(fā)酵反應的熱源，降低了乙醇的生產成本，該反應裝置乙醇的發(fā)酵和分離提純同步進行，并且配有溫控盤管對底部發(fā)酵液溫度進行控制，使微生物處于最適宜的生長溫度，極大的提高了乙醇的產率，在實際應用中具有可操作性和應用的可行性，既節(jié)約了成本，還具有很大的環(huán)保意義。
【權利要求】
1.一種光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法，其特征在于，將待發(fā)酵的原料糖液和糖液體積6%?10%的酵母菌液混合后置于光照和循環(huán)氣流的體系中發(fā)酵，其中酵母菌沉淀在發(fā)酵液的底部將糖液發(fā)酵成為乙醇，光照加熱使乙醇從發(fā)酵液的上表面蒸發(fā)，乙醇蒸汽被循環(huán)氣流帶離反應體系并經過冷凝成為較高濃度的乙醇溶液。
2.按照權利要求1所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法，其特征在于，糖液為原料經超低酸或酶解處理的可發(fā)酵糖液作為發(fā)酵底物，糖液的原料來源為玉米秸桿、稻草、蔗渣或木薯。
3.按照權利要求1所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法，其特征在于，酵母菌液與糖液在原料糖液儲槽中混勻后由底部的進料口進入乙醇發(fā)酵反應槽，加料開始的5?10小時內不光照，以便于酵母菌沉降到底部。
4.按照權利要求1所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法，其特征在于，乙醇發(fā)酵反應槽中的發(fā)酵液在光照加熱時從上到下有溫度梯度，發(fā)酵液表面溫度在40?50°C，發(fā)酵液底部溫度在25?30°C，從而形成溫度梯度。
5.按照權利要求1所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的方法，其特征在于，光照加熱的光源為白熾燈或太陽能，光照強度在500?800W/m2之間。
6.一種權利要求1所述方法的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的裝置，其特征在于，該裝置包括:原料糖液儲槽、乙醇發(fā)酵反應槽、循環(huán)氣泵、冷凝器、乙醇儲罐、隔光擋板、溫控盤管、玻璃蓋板，具體結構如下: 乙醇發(fā)酵反應槽上覆蓋透明玻璃蓋板，乙醇發(fā)酵反應槽內發(fā)酵液面下有孔洞交錯的隔光擋板；乙醇發(fā)酵反應槽內發(fā)酵液的下部有溫控盤管；發(fā)酵液面上方設有進氣孔和出氣孔，乙醇發(fā)酵反應槽的底部設有進料口和出料口 ； 乙醇發(fā)酵反應槽通過出氣孔和管路依次與冷凝器、乙醇儲罐、循環(huán)氣泵相連，最終通過管路連接到進氣孔形成閉合回路； 原料糖液儲槽通過進料口與乙醇發(fā)酵反應槽相連。
7.按照權利要求6所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的裝置，其特征在于，循環(huán)氣流中的乙醇氣體,通過冷凝器時冷凝為乙醇溶液,進入乙醇儲罐，降低乙醇發(fā)酵槽中的產物抑制作用。
8.按照權利要求6所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的裝置，其特征在于，乙醇發(fā)酵反應槽通過底部進料口與原料糖液儲槽通過管路相連，所述進料口與原料糖液儲槽相連的管路上設有輸料泵。
9.按照權利要求6所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的裝置，其特征在于，在乙醇發(fā)酵反應槽上方設置加熱光源，加熱光源為白熾燈或太陽能，其光照強度在500?800W/m2之間。
10.按照權利要求6所述的光照加熱的乙醇分層發(fā)酵的裝置，其特征在于，乙醇發(fā)酵反應槽的高度在I?2米之間，乙醇發(fā)酵反應槽中發(fā)酵液深度在0.5?I米；乙醇發(fā)酵反應槽的底部和外側包覆有保溫層。
【文檔編號】C12P19/14GK104263761SQ201410441180
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權日:2014年9月1日
【發(fā)明者】邵麗杰, 曹焱鑫, 閆昌國, 王曉明, 寇巍, 張大雷 申請人:遼寧省能源研究所