CN102617283A - 对含乙醇的液体进行真空气提的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对含乙醇的液体进行真空气提的系统，该系统包括生物反应器、气提塔、冷凝器和气液分离器，其中：所述气提塔是真空填料塔，该真空填料塔的塔顶内的真空度不大于50mm汞柱；来自所述生物反应器内的含乙醇的液体输入至所述气提塔的塔顶内，并将压缩空气输入至所述气提塔的塔底内；液体中乙醇浓度为1％～10％(v/v)；所述含乙醇的液体进入所述气提塔后经过真空气提处理，一方面，所述气提塔内产生的富集乙醇的气体进入所述冷凝器内冷凝后，再输入至气液分离器获得粗制乙醇；另一方面，所述气提塔内产生的贫乙醇液体输入至所述生物反应器内循环使用。

Description

对含乙醇的液体进行真空气提的系统及方法

技术领域

本发明涉及生物工业生产领域，尤其涉及一种对含乙醇的液体进行真空气提的系统及方法。

背景技术

乙醇俗称酒精，是重要的化工原料和产品。尤其近些年来，人类对资源与环境日益重视，大力发展生物质能源与化工，促进社会实现可持续发展。

生物质原料发酵法是生产乙醇的主要工艺，可以用于发酵的原料包括糖类、淀粉、木质纤维素等。在发酵生产乙醇的能耗中，蒸煮工艺、蒸馏工艺和其它工艺的能耗约占总能耗的30％～35％、45％～50％和10％～20％。由此可见，乙醇生产过程的节能主要在于蒸煮工艺和蒸馏工艺的改进。另外，目前生物质乙醇的生产普遍采用间歇发酵工艺，由于发酵过程当乙醇浓度超过5％(v/v)时，就会对酵母的活性产生一定的抑制作用，随着发酵液中乙醇浓度的提高，抑制作用加强，当乙醇浓度增加到12％(v/v)时，酵母就基本失去活性。这些因素限制了发酵原料液中含糖量的提高和发酵母液中乙醇浓度的提高，导致生产能力低、用水量大。

发酵法生产乙醇需要来源于农林业的生物质原料，原料的种植占用大量耕地、淡水、化肥等稀缺资源。因此，近年来利用光合作用生产乙醇的工艺路线得到重视和发展。利用光合作用生产乙醇的工艺是通过对光合微生物进行基因工程改造，使其具有以太阳光、水和二氧化碳为原料生产乙醇的能力，光能利用、二氧化碳固定和乙醇生产在同一生物体内完成，不需经过农林业种植阶段。其中一种光合微生物是蓝藻。类似的，在培养微生物(例如蓝藻)的过程中，当释放出来的乙醇浓度增加时，就会对微生物的活性产生一定的抑制作用，甚至会导致微生物基本失去活性。

另外，在利用微生物通过光合作用生产乙醇的工艺中，微生物培养液中的乙醇浓度较低(一般为0.5％～3％)，以传统蒸馏工艺分离浓缩乙醇的能耗很大。

因此需要开发适用于光合作用生产乙醇路线的乙醇分离浓缩工艺。

发酵法生产乙醇和光合作用生产乙醇工艺面临的共同难题是低浓度乙醇分离浓缩过程能耗过大。乙醇生产与乙醇分离耦合是解决这一难题的主要途径。针对生物质原料发酵生产乙醇，众多科技工作者相继开发了真空发酵、膜分离发酵、萃取发酵等工艺技术，在发酵的同时分离出乙醇。但这些工艺技术在工业应用上存在很多困难，如萃取发酵，难以找到高选择性且对菌体友好的萃取溶剂；膜分离发酵技术中，难以解决膜污染和通量低等问题；真空发酵的研究比较早，乙醇分离效率高，但维持真空发酵比较困难，且能耗高；随后科技工作者对该方法进行了改进，使发酵罐与闪蒸罐串联，保证了发酵在常压下进行，并在闪蒸罐中不断移出移出乙醇，降低对发酵的抑制作用，但乙醇移出效率较低，乙醇水溶液中乙醇浓度较低，后续蒸馏获得无水乙醇能耗依然较高。

气提发酵过程简单，具有易于工业化的前景，但乙醇的移出效率低，且受空气压缩机性能的限制。为此，科技工作者又进行了大量工作，如专利CN1321188C中公开了以不凝气CO₂、N₂和空气作为气提介质，与闪蒸结合，使气提出的乙醇水溶液中乙醇浓度达到40％以上，但以CO₂为气提介质时，会对发酵液产生毒害作用，导致酵母活性降低；而专利CN101003779A中公开了，以CO₂为气提介质循环气提，并通过补加营养物质保护酵母活性，从而使过程复杂，且气提出的乙醇水溶液中乙醇浓度也不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对含乙醇的液体进行真空气提的系统及方法，能够降低乙醇提取过程中的能耗和物料消耗以实现节水环保。

为解决上述问题，本发明提供了一种对含乙醇的液体进行真空气提的系统，该系统包括生物反应器、气提塔、冷凝器和气液分离器，其中：

所述气提塔是真空填料塔，该真空填料塔的塔顶内的真空度不大于50mm汞柱；

来自所述生物反应器内的含乙醇的液体输入至所述气提塔的塔顶内，并将压缩空气输入至所述气提塔的塔底内；

所述含乙醇的液体进入所述气提塔后经过真空气提处理，一方面，所述气提塔内产生的富集乙醇的气体进入所述冷凝器内冷凝后，再输入至气液分离器获得粗制乙醇；另一方面，所述气提塔内产生的贫乙醇液体输入至所述生物反应器内循环使用。

本发明的生物反应器中培养能够产生乙醇的微生物，例如光合微生物或酵母。其中一种光合微生物是蓝藻，其通过对其代谢途径进行基因改造工程，能够利用阳光、二氧化碳和水产生乙醇。酵母可以通过发酵作用产生乙醇。生物反应器中培养的微生物释放乙醇到培养液中。

相应地，本发明还提供了一种对含乙醇的液体进行真空气提的方法，该方法使用了上述系统对来自所述生物反应器内的含乙醇的液体进行乙醇提取。

本发明提供的对含乙醇的液体进行真空气提的系统，将气提分离与真空蒸馏有机结合起来，一方面，不仅可以通过将产生的乙醇连续移除，保护产生乙醇的微生物的活性，使细胞培养一直处于较佳状态，还可以将罐底液循环使用，无需对培养液进行加热，消除了对培养液中活性菌体的损害，培养液中大量生物活性物质得到保存利用；另一方面，采用真空蒸馏与气提蒸馏耦合，不仅降低气提介质的进口压力，大幅度提高乙醇气提率，同时使蒸馏塔实现稳定操作，克服了压缩机性能限制，提高气提出乙醇水溶液中的乙醇浓度，可达70％(v/v)左右，降低后期精馏过程中的能耗，实现节能节水的目的。本发明提供的系统以及使用本发明系统进行的乙醇提取方法均可以实现培养光生物和乙醇分离连续生产，提高生产效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明的对含乙醇的液体进行真空气提的系统的一种具体实施方式的结构示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施例作详细描述。需要说明的是，在附图中绘制的图形和图样仅是示意性作用，并未按照实际比例绘制。

如图1所示，本发明是通过以下方案实现的。生产乙醇的光合微生物(如蓝藻)或酵母菌等光生物在生物反应器10进行培养，其产生的乙醇释放到生物反应器内培养所述光生物的液体中。本发明的生物反应器中培养能够产生乙醇的微生物，例如光合微生物或酵母。其中一种光合微生物是蓝藻，其通过对其代谢途径进行基因改造工程，能够利用阳光、二氧化碳和水产生乙醇。酵母可以通过发酵作用产生乙醇。生物反应器中培养的微生物释放乙醇到培养液中，形成含有乙醇的液体。在通常的情况下，该液体中乙醇浓度范围是1％～10％(v/v)。一般来说，不同的微生物释放的乙醇能达到的浓度不同，蓝藻可以达到1％～5％(v/v)，酵母可以达到2％～10％(v/v)。

上述含有乙醇的液体送入气提塔20的塔顶21内。在一个方面，上述含有乙醇的液体可以通过由计量泵60送入气提塔20的塔顶21内(在一些实施例中，生物反应器10具有溢流槽，生物反应器10内的液体会通过所述溢流槽进入至计量泵60内)，与输入至气提塔20的塔底22的载体气体，例如压缩空气接触，通过气提这个物理过程，也即采用一个气体介质破坏原气液两相平衡而建立一种新的气液平衡状态，使溶液中的某一组分由于分压降低而解吸出来，从而达到分离物质的目的。计量泵60可以实现根据微生物的生长情况和培养液中的乙醇浓度来调解输出培养液的速度，令微生物的生长和乙醇产生的速率达到合适的状态。

在本发明中，在单位时间内，进入气提塔20内的所述压缩空气与所述含乙醇的液体的体积比的范围是4比1至100比1，优选10比1至70比1。

含乙醇的液体的温度一般在15℃～40℃。输入到真空气提塔上部进料口的液体的温度为15℃～40℃，优选25℃。在需要的情况下，可以对该液体的温度进行降温处理。从真空气提塔塔底进入的载体气体的温度一般在20℃～35℃，优选32℃。在具体实施过程中，所述液体温度和气体温度可以根据生物反应器10条件和环境条件进行适当调整，在合适的范围内浮动，以减少加温或降温的能耗。为了方便控制温度环境，通常将真空填料塔20的塔顶21内的温度范围保持在15摄氏度～40摄氏度，塔底22内的温度范围保持在15摄氏度至40摄氏度

在气提塔20中，所述含乙醇的液体与载体气体的优选的接触方式是逆流接触，从而令乙醇在到达气提塔20的塔底22前就被载体气体从该液体中置换出来。载体气体经过空气压缩机50压缩后，从气提塔20的塔底22进入，其压强大于大气压，因此，在塔顶21(压强小)与塔底22(压强大)压差作用下向上移动，与从塔顶21向下移动的所述含有乙醇的液体充分接触，载体气体将该液体中的乙醇气提出去。

用于本发明的载体气体是对要提取的乙醇属于惰性的气体，即不与乙醇发生化学反应的气体，并且所述载体气体能够从乙醇溶液中吹出乙醇，达到气提的目的。本发明的载体气体可以是空气、氮气、氨气、二氧化碳等，或其组合。在本发明的一个方面，使用空气作为载体气体。载体气体中还可以含有一些能够干燥乙醇的气体，从而增强乙醇提取的效率。用于干燥的载体气体的含量可以通过测试选择合适的份量。一些实施例中，例如本实施例中采用了空气作为载体气体。在本发明的另一个方面，可以使用80％(v/v)氮气和20％(v/v)氨气的混合气体作为载体气体。

本发明的系统中提供的气提塔20是真空气提塔，该真空气提塔20的塔底22空气进口压力的范围为0.1MPa～1MPa，优选的范围是0.2MPa～0.7MPa，而真空气提塔20的塔顶21的真空度为5mm～50mm汞柱，优选10mm～20mm汞柱。在塔顶21内形成真空度的方式可以采用现有技术已知的各种机械、物理、化学或物理化学的方法，其中常用的机械方式是采用变容真空泵，利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气以达到抽气目的。气体在排出泵腔前被压缩。这种泵分为往复式及旋转式两种。常见的真空泵有往复式真空泵、旋片式真空泵、定片式真空泵、滑阀式真空泵、余摆线真空泵、液环真空泵、干式真空泵等。本发明其中一种实施方式是采用往复式真空泵。

本发明的气提塔20是真空填料塔。使用真空填料塔作为气提塔20的形式，以塔内的填料23作为气液两相接触构件的传质设备。真空填料塔20的塔身是直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料23放置在支承板上。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料23表面留下。载体气体输入至填料塔20的塔底22，经气体分布装置分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙。在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。由于填料层增大了气-液的接触面，使其相互强烈混合，上升的气体蒸馏出乙醇。根据吸收系统和操作温度，真空填料塔20使用的填料的材料可以是塑料、陶瓷、玻璃、石墨或其组合，本领域技术人员根据应用场景选用一种合适的填料即可。此外，上述填料的材料可以加工为合适的结构以提高气体过程的效率，例如拉西环、鲍尔环、金属网状填料、阶梯环等。

气提塔的塔板数可以根据进入气提塔的含乙醇溶液浓度、气提效率和富集乙醇的气体中乙醇的浓度计算。对本发明要处理的含乙醇溶液，经实验发现30块～35块塔板形成的填料区具有的显著的气提效果。

由塔底22上升的载体气体从所述含有乙醇的液体内提取出乙醇，生成富集乙醇的气体，并从气提塔20的塔顶21上的开口离开，进入冷凝器30中冷凝。冷凝器30可以是现有技术已知的各种形式的冷凝器。根据冷却介质种类的不同，常见的冷凝器可归纳为四大类，其作用如下：(1)水冷却式：在这类冷凝器中，制冷剂放出的热量被冷却水带走。冷却水可以是一次性使用，也可以循环使用。(2)空气冷却式：在这类冷凝器中，制冷剂放出的热量被空气带走。空气可以是自然对流，也可以利用风机作强制流动。(3)水-空气冷却式：在这类冷凝器中，制冷剂同时受到水和空气的冷却，但主要是依靠冷却水在传热管表面上的蒸发，从制冷剂一侧吸取大量的热量作为水的汽化潜热，空气的作用主要是为加快水的蒸发而带走水蒸气。所以这类冷凝器的耗水量很少，对于空气干燥、水质、水温低而水量不充裕的地区乃是冷凝器的优选型式。(4)蒸发-冷凝式：在这类冷凝器中系依靠另一个制冷系统中制冷剂的蒸发所产生的冷效应去冷却传热间壁另一侧的制冷剂蒸汽，促使后者凝结液化。

在本发明中，冷凝器30中液相为乙醇水溶液，其乙醇浓度可达到30％-75％(v/v)。通过气液分离器40，生成粗制乙醇，将该粗制乙醇送至乙醇精馏设备80中精馏获得高纯度的乙醇，例如含水量小于20％。冷凝器40中的不凝气从冷凝器40中输出至空气压缩机50，经过压缩后作为载体气体循环使用。例如本实施例中使用空气作为载体气体，该压缩空气由空气压缩机50产生并输入至气提塔20的塔底22内，经过空气压缩机50产生的压缩空气的气体压强的范围是0.1MPa～1MPa，优选的范围是0.2MPa～0.7MPa。

此外，气提塔20内含有乙醇的液体经过气体处理，生产贫乙醇液体，由气提塔20塔底22通过泵70推动循环返回生物反应器10。经过气提和分离处理，该贫乙醇液体中的乙醇浓度降低，不会对生物反应器10中的微生物生长和产生乙醇产生负面影响。

采用本发明系统对含有乙醇的液体中的乙醇进行了气提和提纯处理。以下给出几个在采用不同运行参数下的优选实施例。

实施例一

将温度为32℃的含2％(v/v)乙醇的液体由生物反应器10溢流槽中经计量泵60送入真空气提塔20的上部；真空气提塔20为塔板数为30块的填料塔，塔底压缩空气经空气压缩机20压缩至压力为0.2MPa后由真空气提塔20的塔底22进入真空气提塔20，进料温度为20℃；压缩空气流量与含乙醇液体流量体积比为20∶1；真空气提塔20塔顶温度为25℃、其内部真空度为10mm汞柱；气提后组分经冷凝器30冷凝后进入气液分离器40，气液分离器40上部不凝气返回至空气压缩机50循环使用；气液分离器40下部液相组分送至乙醇精馏设备80；而真空气提塔20塔底贫乙醇液体经泵70返回至生物反应器10中循环使用；在此条件下获得的冷凝器液相组分中乙醇浓度为65％(v/v)，真空气提塔20塔底22内的贫乙醇液体中乙醇浓度为0.4％(v/v)。

实施例二

将温度为32℃的含5％(v/v)乙醇的液体由生物反应器10溢流槽中经计量泵60送入真空气提塔20的上部；真空气提塔20为塔板数为35块的填料塔，塔底压缩空气经空气压缩机20压缩至压力为0.4MPa后由真空气提塔20的塔底22进入真空气提塔20，进料温度为20℃；压缩空气流量与含乙醇液体流量体积比为50∶1；真空气提塔20塔顶温度为20℃、其内部真空度为10mm汞柱；气提后组分经冷凝器30冷凝后进入气液分离器40，气液分离器40上部不凝气返回至空气压缩机50循环使用；气液分离器40下部液相组分送至乙醇精馏设备80；而真空气提塔20塔底贫乙醇液体经泵70返回至生物反应器10中循环使用；在此条件下获得的冷凝器液相组分中乙醇浓度为70％(v/v)，真空气提塔20塔底22内的贫乙醇液体中乙醇浓度为0.6％(v/v)。

实施例三

将温度为32℃的含7％(v/v)乙醇的液体由生物反应器10溢流槽中经计量泵60送入真空气提塔20的上部；真空气提塔20为塔板数为35块的填料塔，塔底压缩空气经空气压缩机20压缩至压力为0.5MPa后由真空气提塔20的塔底22进入真空气提塔20，进料温度为20℃；压缩空气流量与含乙醇液体流量体积比为70∶1；真空气提塔20塔顶温度为20℃、其内部真空度为20mm汞柱；气提后组分经冷凝器30冷凝后进入气液分离器40，气液分离器40上部不凝气返回至空气压缩机50循环使用；气液分离器40下部液相组分送至乙醇精馏设备80；而真空气提塔20塔底贫乙醇液体经泵70返回至生物反应器10中循环使用；在此条件下获得的冷凝器液相组分中乙醇浓度为72％(v/v)，真空气提塔20塔底22内的贫乙醇液体中乙醇浓度为0.5％(v/v)。

本发明提供的对含乙醇的液体进行真空气提的系统，将气提分离与真空蒸馏有机结合起来，一方面，不仅可以通过将产生的乙醇连续移除，保护产生乙醇的微生物的活性，使细胞培养一直处于较佳状态，还可以将罐底液循环使用，无需对培养液进行加热，消除了对培养液中活性菌体的损害，培养液中大量生物活性物质得到保存利用；另一方面，采用真空蒸馏与气提蒸馏耦合，不仅降低气提介质的进口压力，大幅度提高乙醇气提率，同时使蒸馏塔实现稳定操作，克服了压缩机性能限制，提高气提出乙醇水溶液中的乙醇浓度，可达70％(v/v)左右，降低后期精馏过程中的能耗，实现节能节水的目的。本发明提供的系统以及使用本发明系统进行的乙醇提取方法均可以实现培养光生物和乙醇分离连续生产，提高生产效率。

以上所揭露的仅为本发明的一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种对含乙醇的液体进行真空气提的系统，其特征在于，该系统包括生物反应器、气提塔、冷凝器和气液分离器，其中：

所述气提塔是真空填料塔，该真空填料塔的塔顶内的真空度不大于50mm汞柱；

来自所述生物反应器内的含乙醇的液体输入至所述气提塔的塔顶内，并将压缩空气输入至所述气提塔的塔底内；液体中乙醇浓度为1％～10％(v/v)；

所述含乙醇的液体进入所述气提塔后经过真空气提处理，一方面，所述气提塔内产生的富集乙醇的气体进入所述冷凝器内冷凝后，再输入至气液分离器获得粗制乙醇；另一方面，所述气提塔内产生的贫乙醇液体输入至所述生物反应器内循环使用。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述反应器是生物反应器，该生物反应器内培养产生乙醇的微生物，所述微生物产生的乙醇释放到培养液中，形成含乙醇的液体，输入至所述气提塔的塔顶内。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：

所述含乙醇的液体经过计量泵输入至所述气提塔的塔顶内，所述计量泵可以实现根据微生物的生长情况和培养液中的乙醇浓度来调解输出培养液的速度，令微生物的生长和乙醇产生的速率达到合适的状态。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述真空填料塔的塔板数范围是30块～35块。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述真空填料塔的塔顶内的温度范围是15摄氏度～40摄氏度，所述塔底内的温度范围是15摄氏度至40摄氏度。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

该系统还包括空气压缩机，所述压缩空气由空气压缩机提供并输入至所述气提塔的塔底内，该压缩空气的气体压强的范围是0.1MPa～1MPa。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：

在单位时间内，进入所述气提塔内的所述压缩空气与所述含乙醇的液体的体积比的范围是4比1至100比1。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：

所述气液分离器中产生的不凝气输入至所述空气压缩机内循环使用。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述真空填料塔包括真空泵，用于在该真空填料塔的塔顶内形成真空环境。

10.一种对含乙醇的液体进行真空气提的方法，其特征在于，该方法使用了如权利要求1至9任一项所述的系统对来自所述生物反应器内的含乙醇的液体进行乙醇提取。