17.2 实训原理
乙醇在国民经济的许多部门中都占有重要地位。它不仅是化学工业上不可或缺的重要溶剂和原材料,也是调制蒸馏酒和其他饮料酒的原料;在医药领域,它可以用来消毒、防腐、灭菌和配制各种医用试剂;在能源领域,它可以作为代替汽油的一种新燃料,发酵乙醇作为燃料相比于汽油的最大优势是可再生性,目前用量最大的是作为燃料乙醇。发酵法生产乙醇的原料主要分为淀粉类、纤维素类、糖料作物三大类,其中淀粉质原料主要包括各种非粮食薯类和粮食类,如玉米等,纤维素质原料包括木材,粮食秸秆等,糖料原料主要是甘蔗和北美甜菜等。原料在预处理后经酵母代谢转化为乙醇,将醪液进行蒸馏、脱水制得无水乙醇,再通过变性剂进行处理即得到燃料乙醇。燃料乙醇作为一种可再生的绿色能源,可以有效地缓解世界石油紧缺的矛盾,还可以实现丰富的农业资源与工业能源的转化,既为农业原料深加工和综合利用提供了一条重要途径,又有效地降低了有害物质在汽车尾气中的排放,为保护人类赖以生存的生态环境做出了贡献。
乙醇发酵过程实际上就是非常复杂的微生物细胞代谢的过程。在微生物的物质代谢中,与分解代谢相伴的能量释放与转化变化被称为产能代谢,就是细胞内的化学物质经过一系列的氧化反应而分解释放能量。任何生命体都必须在能量的驱动下才能进行生命活动,所以产能代谢是生命活动的能量保障。微生物以葡萄糖为底物进行发酵时都需要经历将糖转化为丙酮酸的糖酵解过程。目前,乙醇发酵生产中所使用的菌体主要是酵母菌,即EMP(Embden-Meyerhof Pathway)代谢途径,如图17-1所示。
图17-1 微生物以丙酮酸为底物的EMP代谢途径
G—葡萄糖;G6P—葡萄糖-6-磷酸;F6P—果糖-6-磷酸;F1,6P—果糖-1,6-二磷酸;DHAP—二羟丙酮磷酸;GA3P—甘油醛-3-磷酸;G2P—2磷酸甘油酸;G3P—3-磷酸甘油酸;G1,3P—1,3-二磷酸甘油酸;ADP—二磷酸腺苷;ATP—三磷酸腺苷腺苷;Pyr—丙酮酸;EPP—磷酸烯醇式丙酮酸;HADH—烟酰胺腺嘌呤二核苷酸;(还原性辅酶);NAD+—氧化态
这里采用同步糖化发酵工艺。同步糖化发酵工艺(酶法水解和发酵同时进行)最早是由Gauss等在1976年的专利中提出来的。作者提出葡萄糖在传统的分步酶解法(由真菌里氏木霉产生的酶)过程中产量低的原因可能是水解过程中生成的葡萄糖和纤维二糖对酶解过程产生了抑制作用,而他们采用同步糖化发酵工艺获得了很高的乙醇浓度,这归因于微生物及时地代谢了葡萄糖和纤维二糖而解除了产物对酶的抑制。在这项发明提出一段时间后,同步糖化发酵工艺得到了广泛的认可,最重要的原因是它可以避免糖对酶和酵母的抑制作用。当然,除此之外,此工艺还有很多优点。例如,避免了酶解之后糖的分离,继而避免了糖的损失;另外,酶解和发酵结合在一起,减少了糖化罐的数量,也就降低了投资费用,节省的费用估计可以达到20%,这是非常重要的,因为节省的费用可以抵消乙醇发酵生产中原料的成本。
本装置包含公用工段、发酵工段、产品精制工段和填料精馏工段。
(1)公用工段(https://www.daowen.com)
包括冷却水系统、软化水系统、真空系统及压缩空气系统。
(2)发酵工段
待发酵罐进行空消和实消后,向其中加入一定量的可溶性玉米淀粉,再加入一定量的α-淀粉酶和液化糖化酶,然后加入一定量的活性干酵母,搅拌混合均匀后开始发酵。待发酵结束后,通过加压将发酵罐中的物料打入产品精制工段的板框过滤机。
(3)产品精制工段
来自发酵工段的发酵液经过1号物料管送入板框过滤机,之后在发酵罐内压缩空气的压力下,发酵液被加压过滤,待滤液罐内滤液液位不再上升时,停止加压,卸下滤饼,清洗滤纸,重新安装后再次进行过滤操作,直至发酵液全部过滤完成。然后将滤液分别打入陶瓷膜和纳滤膜进行二次过滤操作,得到精制乙醇产品。若乙醇需要提纯至更高纯度,则可送入填料精馏工段。
(4)填料精馏工段
精制乙醇产品中乙醇浓度较低,因此需要经过精馏以提高乙醇浓度。来自上一工段的精制乙醇产品经真空送入精馏原料罐进行精馏操作,塔顶得到高纯度的乙醇产品,塔釜的水可循环利用。