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    生物质的工艺流程

            2019-10-31 12:21:05        2017次浏览

    木质纤维植物原料制取乙醉的工艺流程主要包括预处理、酶解、发酵和精馏等。

    (1)预处理

    天然的木质纤维素很难被纤维素酶降解,故必须首先对天然木质纤维素进行预处理。

    传统预处理方法有酸法、碱法和生物法等。酸法可以有效地将半纤维素降解,但是无法将纤维素和木质素进行分离,且酸对设备的材料存在腐蚀问题,后面需要加碱中和而产生大量盐,增加了废水处理的负担。碱法可以破坏木质素,但无法将纤维素和半纤维素分离,且产生大量的黑液,造成环境污染。碱也难以回收利用,生物法目前仍主要处在实验室研发阶段,离工业化要求还有很大差距。

    与以上传统预处理方法相比,蒸汽爆破法的特点是处理成本低、污染小、能耗少,因此成为 常用的预处理方法。蒸汽爆破是利用高温高压的水蒸气,使得木质纤维素原料中的半纤维 素部分水解,并软化木质素,从而降低纤维素、半纤维素、木质素三者聚合度,然后通过瞬间减 压,使得木质纤维素内部的气体急速膨胀,产生爆碎作用,进一步破坏木质纤维素的内部结构。蒸汽爆破的一般流程是木质纤维素首先经过切制粗碎,并除尘除杂,然后与水浸渍后输送至预处理反应器,在预处理反应器内的一定温度(170~200℃)和压力(0. 8~1.0 MPa)的蒸汽中维持一定的时间(5~25 min),然后瞬间泄压鑤碎,得到预处理物料。

    (2)酶解

    木质纤维素经过预处理后,需要进一步水解成可发酵糖。

    传统的酸水解技术较为成熟,但酸的腐蚀性对人体有害,所需工艺条件苛刻,且增加了设备投资和生产成本。

    与酸水解相比,酶解的特点是反应条件温和、无污染,因此成为普遍采用的木质纤维素水解工艺。

    纤维素酶是酶解过程的催化剂,是一组能够将木质纤维素中的纤维素和半纤维素水解生成单糖的酶,纤维素酶可以通过木霉、曲霉、根霉和青霉等菌种发酵自行制备,也可以使用商品酶制剂。

    酶解的一般流程是首先将预处理物料和水配制成一定底物浓度,然后加入纤维素酶开始酶解,酶解过程需控制在一定温度和pH,达到一定酶解时间后,得到酶解液。酶解工艺的主要操作条件是底物浓度、酶量、酶解时间、酶解温度、酶解pH。底物浓度的增大会影响酶解反应的传热传质和均匀性,且产生高浓度酶解产物对酶有反馈抑制作用,所以底物浓度一般控制在15%~30%;酶解温度和pH是由酶制剂的活性确定的,一般酶解温度是50℃,酶解 pH是5.0;酶解时间控制在2~3天为宜,酶解时间太长,可能会导致部分可发酵糖发生降解。

    酶解液可以通过水洗,分离出木质素,也可不水洗直接发酵制得乙醇。

    (3)发酵

    乙醇发酵工艺已比较成熟,采用酿酒酵母已能较容易完成己糖发酵,但传统的酿酒酵母只 能将己糖转化成乙酵,却不能利用戊糖。

    采用基因和代谢工程技术筛选出戊糖发酵菌种,可以实现对己糖和戊糖全利用。

    己糖和戊糖全利用工艺可分为己糖和戊糖分开发酵和己糖、戊糖同步发酵两种流程,己糖 和戊糖分开发酵需要首先对预处理物料进行水洗分离出戊糖,此过程需要消耗大量的水,所以 一般采用己糖、戊糖同步发酵流程。

    己糖、戊糖同步发酵的一般流程是在酶解液中接种共发酵菌种,发酵过程需控制在一定温度(35℃)和pH(6.0)达到一定发酵时间(约1~2天)后,得到发酵醪。

    发酵醪可通过离心回收其中的菌种,发酵尾气中的乙醇可回收后进入精馏。

    (4)精馏

    发酵液中的低浓度乙醇需经过精馏进行浓缩。

    乙醇的精馏可采用三塔两效差压蒸馏的生产方法,此方法的特点是采用多级热偶合术,分级利用系统热量,使热量的利用尽可能达到状态的功能,同时还节约了蒸汽消耗。发酵液中的低浓度乙醇经过精馏后,可得到95%(体积分数)的共沸乙醇。

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