CN1195065C - 酒精生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种酒精生产方法，包括如下步骤：a)将淀粉质原料进行预处理，得到糖液；b)将预处理得到的糖液，用絮凝酵母进行发酵；c)将发酵液精馏得到酒精。本发明还提供了一种生物反应器用于酒精生产。
Description
技术领域
本发明涉及酒精生产方法及反应器。具体的说，本发明涉及用酵母通过无载体连续发酵来生产酒精的方法，和一种适用于该方法的生物反应器。
背景技术
酒精是医药、食品饮料、有机合成及军工民用的各个领域所不可缺少的重要原材料，在国民经济中占有十分重要的地位。特别是酒精作为取之不尽、用之不竭、可以永久再生的新一代卫生能源已经在燃料应用领域脱颖而出。在当今世界能源短缺和环境污染日益严重的情势下，将越来越显示出生它广阔和深远的应用发展前景。
我国是酒精生产大国，以淀粉质原料经发酵法生产酒精是一种传统工艺，原料(主要是玉米或薯类)经粉碎、调浆、蒸煮、糖化、发酵，最后经过蒸馏获得产品。传统工艺面临的问题一是无法做到物尽其用，二是其最终***物酒糟给周边水域带来严重的有机污染。长期来严重困扰我国酒精行业的生存与发展、危及国民经济走可持续发展道路。
当前国际上通用的酒精生产DDGS(Dry Distilled Grain Soluble)技术，用全部烘干酒糟及废液的方法来解决污染环境的弊病，但为此所付出的代价很大，即在生产能源的同时又消耗了大量的能源，蒸发装置投资大，运行过程能耗高。
所以本领域迫切需要一种新方法和一种适用于该方法的装置，以减少对环境污染、降低生产成本并提高对原料的利用。
发明内容
本发明的目的就是提供一种酒精发酵方法，该方法可大幅减少对环境污染、降低生产成本并提高对原料的利用。
本发明的另一目的是提供用于该方法的反应器。
本发明提供了一种酒精生产方法，包括如下步骤：
a)将淀粉质原料进行预处理，得到糖液；
b)将预处理得到的糖液，用絮凝酵母进行发酵；
c)将发酵液精馏得到酒精。
在本发明的一实施例中，步骤b)中的酵母是絮凝酵母SPSC01，CGMCC 0587。
在本发明的另一实施例中，预处理包括粉碎、液化、糖化和固液分离。
在本发明的另一实施例中，粉碎之前还包括步骤：脱胚处理和脱皮处理。
在本发明的另一实施例中，精馏后的废液返回预处理，循环利用。
本发明还提供了一种用于酒精生产的反应器，包括：
一筒体，该筒体具有本体、上封头和下封头；
一沉降区分离挡板，位于筒体内的上部，该环形挡板与沉降区外筒体之间形成沉降分离区；
一颗粒悬浮导流筒，该颗粒悬浮导流筒位于筒体中部；
一气体入口，位于筒体的底部，用于将气体引入悬浮导流筒内；
一发酵液出口，位于沉降区外筒体处，用于排出含酒精的发酵液。
在本发明的一实施例中，反应器还包括：
一培养基入口，位于筒体的下方；
一接种口；
一气体排放口，位于反应器顶部。
在本发明的另一实施例中，在反应器沉降区环形挡板内侧还可设有发酵罐沉降区稳流导筒，该稳流导筒是以酒精发酵产生的CO2自驱动的，且与缓冲区筒体构成一缓冲区域。
附图说明
在本申请中包括附图是为了让本发明上述的特征，优点以及目的更清楚，在细节上更明白。这些图是说明书的一个组成部分。需要指出的是，附图是用来说明本发明的优选实施例的，不能视为对本发明范围的限制。
图1是本发明一种酒精发酵方法的工艺流程图。
图2是本发明一种絮凝细胞颗粒连续培养和酒精发酵生物反应器的结构示意图。图中1椭圆封头；2沉降区环形挡板；3沉降区外筒体；3a发酵罐沉降区稳流导筒；4缓冲区筒体；5筒体；6颗粒悬浮导流筒；8椭圆封头。10培养基入口；11空气(种子罐及发酵罐中种子扩大培养时)及CO2(发酵罐酒精发酵时)入口；12发酵液出口；13接种口；14尾气(种子罐及发酵罐中种子扩大培养时)及CO2(发酵罐酒精发酵时)出口。
具体实施方式
针对现有传统工艺所存在的问题，本发明独特的酵母细胞连续发酵方法，能在生产过程中将原料中的脂肪、蛋白质、纤维以及发酵过程中产生的CO2全部分离出来，并且蒸馏废液能在工艺过程中循环使用，达到了污染物的零排放。使原料物玉米尽其用，得到诸多宝贵的副产品，并彻底解决了严重危害环境的酒糟污染问题。
本发明提供了一种酒精生产方法，包括如下步骤：a)将原料进行预处理；b)将预处理得到的糖液进行发酵；c)将发酵液精馏得到酒精。
本文所述的原料没有特别限制，可以是酒精发酵领域常用的原料，包括淀粉质原料，如玉米、薯类等。
在本发明例中可使用任何具有自絮凝能力且酒精发酵性能优良的酵母进行发酵。在本发明的一实施例中，使用的酵母是絮凝酵母SPSC01，该酵母为粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe Lindner 2.1461)和酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae2.607)的融合株，于2001年05月20日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC，中国，北京)，登录号为CGMCC 0587。
本文所述的预处理通常包括粉碎、液化、糖化和固液分离。在本发明的一实施例中，预处理步骤包括：
粉碎：根据生产工艺的要求，原料玉米首先粉碎成一定细度的玉米粉，视生产规模，原料玉米粉碎之前可以进行脱胚脱皮等预处理。
液化：玉米粉与循环使用的废糟液(如图1所示)按工艺要求的料水比混合配制成粉浆，并加入α-淀粉酶。粉浆经蒸汽喷射加热到110℃左右，短时间维持后降温到95℃进入连续蒸煮柱维持90分钟完成液化过程。
糖化：液化醪降温到60℃，并酸化到糖化要求的pH值后加入糖化酶进行糖化操作。
固体分离：糖化醪中的残渣在这一过程中去除，圆体分离可以采用过滤，离心或其他可行的操作方式。得到的糖液送至发酵工段，残渣经废糟液洗涤后作为湿饲料或干燥后作为干饲料出厂，洗涤残渣得到的稀糖液送粉浆岗位配制粉浆。
发酵：用酵母细胞颗粒将可发酵性糖发酵成酒精和二氧化碳。发酵罐多级串联操作，酵母细胞在发酵罐中实现固定化，因而发酵罐中的酵母细胞密度大大提高，视要求的发酵终点酒精浓度，平均发酵时间可以从传统发酵工艺的50-60小时缩短到10-20小时。
本发明的精馏步骤与常规技术相同。发酵液中酒精浓度一般为10-13％(v)，但不含原料残渣和酵母细胞。经粗馏塔、精馏塔等组成的多塔精馏***获得浓度为96％(v)的酒精，与此同时，粗馏塔塔釜排出不含固体残渣的废糟液。废糟液送至固体分离工段洗涤残渣回收糖份。如果生产燃料酒精，尚需对96％(v)酒精进一步脱水和变性处理。
本发明还提供了一种用于本发明方法的反应器。一种优选的反应器具有图2所示的结构。其中反应器具有一筒体5，该筒体5具有本体7、椭圆封头1和8。筒体的上部为沉降区，中部和下部为发酵区。在筒体内的上部设有沉降区环形挡板2。该环形挡板2与沉降区外筒体3构成了絮凝酵母发生沉降的区域。较佳地，在沉降区环形挡板2内侧还可设有发酵罐沉降区稳流导筒3a，以便与缓冲区筒体4构成一缓冲区域。在筒体5中部具有一个或多个颗粒悬浮导流筒6。
此外，反应器还具有以下出入口：
a培养基入口10，较佳地位于筒体的下方，用于添加培养基；
b气体入口11，位于筒体的底部，用于将空气(种子罐及发酵罐中种子扩大培养时)及CO2(发酵罐酒精发酵时)引入悬浮导流筒6；
c发酵液出口12，设置于沉降区外筒体3处，用于将沉降区的含酒精的发酵液；
d接种口13，优选位于反应器顶部。用于将摇瓶培养的种子接种反应器中；
e气体排放口14，位于反应器顶部。用于排放尾气(种子罐及发酵罐中种子扩大培养时)及CO2(发酵罐酒精发酵时)。
使用本发明的自絮凝细胞颗粒扩大培养的生物反应器时，通过导流筒内输入空气，在气体提升作用下反应器内部建立环流，克服自絮凝细胞颗粒的重力沉降，使其均匀悬浮，同时保证细胞生长对氧的需求。当自絮凝细胞颗粒进入正常酒精发酵状态时，可使用酒精发酵过程产生的CO2代替空气，以保证酒精发酵对厌氧条件的要求。在生物反应器上部设置自絮凝细胞颗粒沉降分离挡板，与沉降区外筒体之间形成沉降分离区。对于自絮凝细胞颗粒酒精连续发酵的生物反应器，需要采取流动稳流措施，设置稳流导筒。当发酵罐的酒精发酵强度超过3-4kg/M3h时，酒精发酵产生的CO2可以自驱动稳流导筒形成有规则的局部环流，消除酒精发酵产生的CO2对沉降区底部的扰动，保证沉降分离区内自絮凝细胞颗粒的自由沉降，流出生物反应器的发酵液中不含自絮凝细胞颗粒。
本发明使酒精发酵的生产过程由古老的，一罐接一罐间歇式的操作变为现代化连续不断生产的自动化操作。酵母细胞以絮凝颗粒的形态固定在发酵罐中长期连续使用，工厂不必再专门设置酵母培养车间，大大简化了生产工艺，降低了生产成本，极大的提高了生产效率。
由于酵母细胞在发酵罐中实现了固定化，发酵中的酵母细胞密度大大提高，平均发酵时间大大缩短，设备生产强度指标相应提高，可以实现小设备大生产。
发酵罐中浓度极高的絮凝颗粒酵母大大提高了发酵的速率，使发酵罐内的生产强度由传统工艺1kg/m3hr提高到8～10kg/m3hr，这样一个罐就相当于8～10个罐的生产能力。而且一次发酵的过程也从传统的60～70小时，大大缩短为10～20小时，真正实现了小设备能大生产，不仅节约了很多的时间和空间，还可大大减少项目建设的投资。
本发明完全摒弃了传统的全料入罐带渣发酵的落后工艺，而采用糖液和料渣分离发酵的全新工艺，故没有原来污染环境的酒糟产生，完好地全部保留了玉米渣中蛋白质、纤维素等有效部分。这一工艺改革给玉米的综合利用和酒精生产带来了难以估量的开发潜力和经济效益，使酒精的生产成本接近和低于汽油的生产成本完全成为可能。
由于本技术采用多级分离，残糖液经二次发酵利用，这样不但能得到更多的玉米渣料，同时又使二级分离的废液经技术处理后再回到前道工序蒸煮工段用作拌料水等，形成合理的内循环，既节约了能源、水资源，又实了原料玉米的全部利用和生产废水的零排放，(传统工艺每生产一吨酒精至少要排放10多吨酒糟废液)，从根本上改善了酒精生产工业给周边环境带来的污染和危害，有效地保护了自然环境，彻底改写了酒精生产企业是环境污染重灾区的老皇历，从而也使燃料酒精的大量生产变得轻松和现实。
废糟液可以全部直接循环使用，现有传统酒精发酵工艺中废糟液蒸发浓缩装置可以省去，不仅新建酒精工程的固定资产投资大大降低(蒸发装置的造价相对于其他设备来说是最昂贵的)，而且运行费用，主要是能耗可以大幅度降低。按中国国内市场标煤价格计算，吨酒精生产可以降低生产成本30美元左右。
按照上述技术方案设计的生物反应器应用于自絮凝细胞颗粒培养和酒精连续发酵工艺过程中，其以细胞干重计的反应器单位体积细胞密度可以达到50-100kg/M3，多级反应器串联操作，在发酵终点酒精浓度达到13％以上条件下，酒精连续发酵的平均发酵时间不超过20h。
本发明使原料物尽其用，除酒精外还可以生产玉米精制油、蛋白饲料、二氧化碳等宝贵的副产品，可以大大提高企业的经济效益。以综合利用三十万吨玉米生产项目为例，如应用本技术投资建设一个年产9万吨酒精，9万吨饲料，1万吨玉米食品，4.5万吨二氧化碳和1.5万吨保健饮料的联合企业，只需投入资金4.2亿元，其年产值可达15亿元，投产后只须一年半时间即可收回全部投资。其经济效益十分可观。
本发明改变了已有该方法对污染物处理仅限于终端处理的状况，将其作为生产过程中的处理，实现了污染物零排放。
实施例
实施例1
本实施例中使用的菌种为絮凝酵母SPSC01，CGMCC 0587。
本实施例中描述的生物反应器与年产酒精3000吨规模装置配套，包括种子罐2台，发酵罐2台串联为1组，二组并联使用。
自絮凝酵母细胞颗粒连续扩大培养和酒精发酵生物反应器(种子罐/发酵罐)的结构参数如下：公称容积1.0/10M3；封头(1)为Dg800/2400标准椭圆封头；沉降区环形挡板(2)公称直径Dg700/2200，高度800/1200；沉降区外筒体(3)公称直径Dg800/2400，高度1000/1600；缓冲区(4)采用60°标准锥形封头；筒体(5)公称直径Dg400/1400，高度3200/6000；颗粒悬浮导流筒(6)公称直径DG250/400，高度3545/7300，导流筒下端与筒体下端平齐；风头(7)为Dg400/1400标准椭圆封头。培养基入口(a)为Dg15/25法兰连接接管；空气喷嘴(b)采用内径φ1/2″的无缝钢管，与空气管线法兰连接；发酵液出口(c)为Dg25/50法兰接管，安装尺寸为距沉降区外筒体下端500/800；接种口(d)为发酵行业通用设计的快速接头；尾气出口(e)为Dg25/50法兰接管。
发酵罐沉降区特殊设置稳流导筒(3a)的公称直径为Dg1800，高度900，顶端与沉降区外筒体(3)下端的距离300。
其他没有详细描述的尺寸可依照发酵行业种子罐和发酵罐的通用设计。种子罐、发酵罐及附属管道和阀门接种之前按照发酵行业的操作规程均使用蒸汽灭菌，并用无菌空气保压。自絮凝颗粒酵母培养和酒精发酵用糖液为酒精发酵行业玉米原料双酶法制备的糖化液。
将摇瓶培养的自絮凝酵母颗粒接种到盛有5～6Bx糖液的种子罐中，在温度32℃条件下通风培养。培养过程为间歇培养和连续培养结合，即接种后先间歇培养至种子罐中残糖浓度降至0.1％(w/v)，然后开始流加～12Bx的糖液进行连续流加培养(连续流加培养过程中自絮凝酵母颗粒全部截流在种子罐中，致使其密度不断提高，实现高密度培养)，糖液流加速度根据流出种子罐培养液中残糖浓度及时调节，保证残糖浓度为0.1％(w/v)，直至种子罐中自絮凝颗粒酵母的密度达到30g(干重)/L，种子罐培养结束。
将种子罐中培养的自絮凝颗粒酵母通过无菌空气输送到二级串联的发酵罐***，并进行自絮凝颗粒酵母的扩大培养，培养过程与种子罐培养相同，直至发酵罐中自絮凝颗粒酵母的密度达到50～60g(干重)/L后，将培养用12Bx糖液切换成酒精发酵用24～25Bx高浓度糖液，根据设定的平均发酵时间来调节糖液流加速度，发酵温度提高到34℃，可以获得含酒精13％(v)以上的发酵液。该发酵液送精馏车间可生产各种规格的成品酒精。
在发酵反应器中的生产强度达到8-10kg(ETOH/m3h)，比传统工艺的指标提高了8-10倍，平均发酵时间可以缩短至10-20小时(传统方法为60-70小时)，这样就实现小设备、大生产，使新建或改扩酒精发酵装置的固定投资比例可以大幅度降低。
菌种保藏
絮凝酵母SPSC01于2001年05月20日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心(CGMCC，中国，北京)，登录号为CGMCC 0587。
Claims (4)
1.一种酒精生产方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
a)将淀粉质原料进行预处理，得到糖液；
b)将预处理得到的糖液，用絮凝酵母进行发酵；
c)将发酵液精馏得到酒精；
其中，在步骤b)中的酵母是絮凝酵母SPSC01，CGMCC 0587。
2.如权利要求1所述的酒精生产方法，其特征在于，所述的预处理包括粉碎、液化、糖化和固液分离。
3.如权利要求2所述的酒精生产方法，其特征在于，在所述的粉碎之前还包括步骤：脱胚处理和脱皮处理。
4.如权利要求1所述的酒精生产方法，其特征在于，所述的精馏后的废液返回预处理，循环利用。
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