一種聯產黃腐酸的纖維素乙醇工廠化生產系統和方法技術方案

本發明專利技術涉及一種聯產黃腐酸的纖維素乙醇工廠化生產系統和方法，針對現有技術存在的難點和痛點，提出一套完整的聯產黃腐酸的高純度高固含量纖維素生產高濃度乙醇的生產技術集成路線、技術規范，和達到規范要求的途徑和方法，實現預處理和乙醇生產的技術系統整合并協調運行。提出堿性蒸餾水脫毒方案、廢醪液污水全部轉移到預處理單元處理、找到廢醪液回用污水量的平衡點并對污水總量控制。結果，高純度高固含量凈化根本解決了纖維素乙醇生產過程的“前端困擾”和“過程障礙”，節省酶劑，纖維素乙醇粗餾廢醪液的轉移處理徹底解決了纖維素乙醇的“后顧之憂”，使纖維原料中的兩大組分——纖維素和非纖維素成分的全部，得到完全利用。

【技術實現步驟摘要】
一種聯產黃腐酸的纖維素乙醇工廠化生產系統和方法
本專利技術涉及農作物秸稈資源綜合利用和生物化工、發酵工程與生物質能源領域，具體地說是一種聯產黃腐酸的纖維素乙醇工廠化生產系統和方法。
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部分的信息僅僅旨在增加對本專利技術的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。產業技術現狀及局限：據權威分析，纖維素乙醇產業化的現狀是：比糧食乙醇具有資源和市場潛力的纖維素乙醇產業技術示范遭遇了重大挫折，在工業應用階段出現了重大技術障礙，今后較長時期內難以實現對糧食乙醇的替代。一般認為，纖維素乙醇產業化失敗的關鍵因素在于預處理技術的重大缺陷。采用現有的生物煉制技術進行大規模的產業化(生產纖維素乙醇)基本失去了可能性，生物煉制技術急需以全新的技術思路實現纖維素乙醇產業化技術的突破。鮑杰“燃料乙醇的技術經濟分析”(《2019中國生物產業發展報告》(國家發展和改革委員會創新和高技術司、中國生物工程學會編寫，化學工業出版社，北京2020.9)中指出：“近幾年來，具有資源和市場潛力的纖維素乙醇技術示范遭遇了重大挫折，今后較長時期內難以實現對糧食乙醇的替代；到2020年我國纖維素乙醇缺口達到1000萬噸。“纖維素乙醇是玉米秸稈、麥稈、稻草等農作物秸稈、柳枝稷、芒草本植物、木屑等林業廢棄物、蔗渣、玉米纖維等工業副產品類型的木質纖維素生物質為原料，通過生物煉制方法生產的燃料乙醇，從石油替代、糖原料替代、秸稈出路、氣候和碳稅等各方面看，毫無疑問纖維素乙醇是未來燃料乙醇最重要的發展方向。“纖維素乙醇是燃料乙醇領域研發最為活躍的領域。其產業化進程遭遇的重大挫折主要來自與技術上的失敗，而非科學和工程原理的失敗。木質纖維素生物煉制加工鏈的基本環節是由預處理、抑制物脫毒、酶促水解、發酵和產品提純組成。當這一概念在實際應用中實施時，必須在嚴格的環境、能耗和轉化技術指標約束下，方具備實際應用價值。現有的常規生物煉制技術大多脫離了這些約束條件，從而在工業應用階段出現了重大技術障礙。這些障礙包括秸稈原料密度低且難以長期儲存，大幅提高了原料成本；污水產生量巨大，大幅降低了產業化的可行性；轉化效率和技術指標遠低于玉米乙醇生產技術，難以與玉米乙醇競爭；纖維素酶仍無法實現成本的實質性降低等。這些重大的技術障礙使得現有的生物煉制技術更傾向于成為一類重污染、高能耗、低技術的落后產能技術，因而在產業化進程中遭遇到失敗也是可以預見的”。并且在針對世界上現有的纖維素乙醇現狀做出分析后得出結論：“采用現有的生物煉制技術進行大規模的產業化(生產纖維素乙醇)基本失去了可能性”。“生物煉制技術急需以全新的技術思路實現纖維素乙醇產業化技術的突破。從根本上講，纖維素乙醇至少應在排放、能耗、轉化指標和經濟上與糧食乙醇相當，在生物燃料市場具備與其競爭的水平才有生產的空間。“由于原料和工藝的本質差異，纖維素乙醇與玉米乙醇的生產過程幾乎在每一步驟都存在著重大差異，銜接點僅出現在粗餾塔后的精餾和分子篩脫水的很少幾個環節上。在生物煉制過程
，木質素纖維原料首先要進行高強度的預處理操作以克服其生物抵抗性，在與玉米干法技術類似的零廢水、零糖耗和低能耗下，形成以糖化、無抑制物、無催化劑殘余的類似淀粉的固體物料，這是纖維素乙醇的起點和關鍵所在，對上游的原料生產、收集、前處理，以及下游的脫毒、酶解、發酵、分離提純都有著決定性的影響。一般認為，纖維素乙醇產業化失敗的關鍵因素在于預處理技術的重大。”“強烈的預處理過程產生的糠醛、羥甲基糠醛、乙酸、對羥基甲醛等抑制物必須盡缺陷可能徹底脫除(脫毒)，才能實現纖維素乙醇的高轉化指標”。王新明等“纖維素乙醇發酵方法及發酵抑制物”(《中國釀造》2013年第32卷第51期)，系統介紹了纖維素乙醇發酵抑制物的來源及脫毒方法，但沒有具體的技術方案。李志強等“發酵抑制物對葡萄糖產乙醇的影響”(《化工進展》2015年第34卷增刊1)，認為，發酵液中抑制物總量控制在3g/L以內時，對葡萄糖轉化乙醇的抑制作用不明顯。曹蓮瑩等”木質纖維素乙醇關鍵技術研究進展”(《生物產業技術》2018年04期)指出，現階段基于木質纖維素類生物質生產纖維素乙醇技術成本居高不下，難以實現燃料乙醇的原料替代，導致這一原因的主要原因在于以下3項關鍵技術的限制：(1)高效秸稈預處理技術，(2)低成本產業化生產纖維素酶技術，(3)混合糖乙醇發酵技術優化。同時指出，釀酒酵母是乙醇生產最常用的發酵菌株，具有發酵速度快、乙醇產量高的特點，目前進行酒精酵母發酵乙醇主要存在四個問題(1)釀酒酵母不能利用半纖維素水解的五碳糖，(2)釀酒酵母生長和乙醇生產受預處理副產物的抑制，(3)釀酒酵母高溫發酵性能不佳，(4)釀酒酵母的活性受預處理副產物乙醇的抑制。沒有提供解決問題的辦法。專利“一種利用木質纖維素酶水解殘渣制備木質素磺酸鹽的方法(申請號：CN201210011668.7)”，用酶糖化殘渣生產黃腐酸，其局限是：前期酸處理保留了幾乎全部的木質素，酶解糖化原料雜質太多，影響酶解糖化效率，廢醪液污染負荷重處理困難，屬“事后處理”。專利“利用玉米芯酸解渣堿煮黑液制作木質素磺酸鈉的方法(申請號：CN201610797594.2)”，存在的問題是，酸解糖化后的殘渣先堿煮再磺化，鈉離子不適合做黃腐酸肥料、與亞銨法磺化蒸煮產黃腐酸不兼容。專利“玉米芯綜合利用方法(申請號：CN200910305683.0)”，對玉米芯原料逐層分離半纖維素、纖維素，剩余地進行纖維素生產乙醇，說明前期木質素提取率高，即脫木素充分，后續纖維素乙醇得率就高。但沒有涉及整個生產系統的高附加值利用，并且乙醇發酵殘余物的有效成分沒有充分利用。專利“一種生產酶解木質素磺酸鹽的方法(申請號：CN201310445459.8)”，采用堿性亞銨法，受鈉離子含量高的影響，限制了黃腐酸使用價值。張強“干法生物煉制技術生產高濃度纖維素乙醇的同步糖化與共發酵研究”(華東理工大學碩士學位論文2017.06，以玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈、甘蔗渣為原料，采取70％的固含量纖維原料經過稀酸預處理得到50％的物料，然后經過固態生物脫毒，在25～35％的固含量條件下進行同步糖化與共發酵。具體方案為以SaccharomycescerevisiaeDQI為菌竹，在30％固含量，15FPU/gDM(DM干物料)的酶用量下，玉米秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈、甘蔗渣、木屑得乙醇產量為56.8g/L、58.5g/L、65.4g/L、64.5g/L、54.7g/L。列出三種適合高固含量纖維素發酵的酶劑：諾維信(北京)的CellicCTec2.0、蔚藍(青島)LLC4、#7(購買自中國工業酶生產商)。研究了以五種木質纖維素原料進行同步糖化與共發酵生產纖維素乙醇，預處理后的物料中含有大量的木糖，如SaccharomycescerevisaiaeXH17是一株能夠利用木糖的菌株，最終通過優化發酵條件，獲得了超高的纖維素乙醇濃度；經過預處本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種聯產黃腐酸的纖維素乙醇工廠化生產系統和方法，其特征在于，包括：/n將原料采取亞銨法蒸煮、分離，得到纖維和蒸煮液；/n將所述纖維進行疏解，采用弱堿蒸餾水逆向洗滌脫毒，收集洗滌液和脫毒后的纖維；/n將脫毒后的纖維進行擠漿濃縮、糖化、發酵、蒸餾濃縮，得到纖維素乙醇；/n將所述洗滌液和蒸煮液混合，蒸發濃縮，得到黃腐酸濃黑液和蒸餾水，再進行噴漿干燥，得到黃腐酸；/n對糖化液、乙醇醪液、廢醪液分別進行固液分離，收集固體回用到預處理蒸煮工序與纖維原料混合蒸煮；/n將乙醇廢醪液污水全部轉移到預處理單元處理；/n最終，纖維原料中的兩大組分——纖維素和非纖維素成分的全部，完全得到利用，即通過“纖維素——乙醇”生產系統得到纖維素乙醇，通過“木質素+其他非纖維素成分——黃腐酸”生產系統得到黃腐酸。/n

【技術特征摘要】
1.一種聯產黃腐酸的纖維素乙醇工廠化生產系統和方法，其特征在于，包括：
將原料采取亞銨法蒸煮、分離，得到纖維和蒸煮液；
將所述纖維進行疏解，采用弱堿蒸餾水逆向洗滌脫毒，收集洗滌液和脫毒后的纖維；
將脫毒后的纖維進行擠漿濃縮、糖化、發酵、蒸餾濃縮，得到纖維素乙醇；
將所述洗滌液和蒸煮液混合，蒸發濃縮，得到黃腐酸濃黑液和蒸餾水，再進行噴漿干燥，得到黃腐酸；
對糖化液、乙醇醪液、廢醪液分別進行固液分離，收集固體回用到預處理蒸煮工序與纖維原料混合蒸煮；
將乙醇廢醪液污水全部轉移到預處理單元處理；
最終，纖維原料中的兩大組分——纖維素和非纖維素成分的全部，完全得到利用，即通過“纖維素——乙醇”生產系統得到纖維素乙醇，通過“木質素+其他非纖維素成分——黃腐酸”生產系統得到黃腐酸。


2.如權利要求1所述的一種聯產黃腐酸的纖維素乙醇工廠化生產系統和方法，其特征在于，所述亞銨法蒸煮為酸性亞銨法蒸煮，具體工藝為，亞硫酸銨10～20％，酸0～3％；pH4～6，液比1：3～4優選1：3，溫度140～175℃，時間60～180min，催化劑0.1～1％；
優選的，所述催化劑為CuSO4、CuCl2、FeSO4中的一種或兩種混合；
優選的，酸為硫酸、鹽酸、甲酸、乙酸的一種或幾種混合；
優選的，經過蒸煮、疏解、洗漿分離，每6噸原料得到2噸高純度纖維素，4.05噸(以干基計)黃腐酸；纖維素含量70～95％，優選80～95％，非纖維素含量20～5％，預處理副產物0～3％，黃腐酸(干基)有效含量30-48％；非纖維素成分中半纖維素含量2～6％、木質素含量2～6、非纖維成分含量0～4％。


3.如權利要求1所述的一種聯產黃腐酸的纖維素乙醇工廠化生產系統和方法，其特征在于，所述亞銨法蒸煮為中性亞銨法蒸煮，加酸水解半纖維素，具體工藝為：首先，采取中性亞銨法進行蒸煮，磺化水解木質素、水解各種非纖維素成分，pH7～9，采用無Na離子緩沖劑，包括KOH、MgO、氨水等，分離得到固體纖維素和半纖維素；其次，蒸煮酸水解半纖維素，具體為，加酸，HCl或H2SO4的一種，加入量1～3％，漿濃10～30％，pH3～6，95～120℃蒸煮，保溫30～90mm；第三步，水洗1～3遍，pH7。


4.如權利要求1所述的聯產黃腐酸的纖維素乙醇的工廠化生系統和產方法，其特征在于，弱堿性蒸餾水洗滌脫毒和凈化纖維素結構水COD的控制，具體為，采用弱堿性蒸餾水洗滌，使得凈化纖維素中殘留的結構水COD300～3000mg/L，優選COD300～1000mg/L，pH7～8，氨氮15mg/L。


5.如權利要求1所述的聯產黃腐酸的纖維素乙醇的工廠化生產方法，其特征在于，所述弱堿性蒸餾水的來源為：對蒸發濃縮得到的蒸餾水COD900～1100mg/L、PH7～9、氨氮500～1000mg/L，進行控鈉脫氮和生化處理，脫氮過程中控制NaOH加入量，不足部分用KOH補充，確保黃腐酸(干基)中Na含量小于0.15％，最終達到COD300～500mg/L、pH9.5～10.5，氨氮15mg/L。


6.如權利要求1所述的一種聯產黃腐酸的纖維素乙醇工廠化生產系統和方法，其特征在于，所述弱堿性蒸餾水洗滌脫毒和凈化纖維素結構的具體步驟為：采用多道逆向洗滌，優選四道逆向洗滌，將脫氮和生化處理后的弱堿性蒸餾水從纖維素凈化洗滌工序中的最后一道即第四道加入，順序進行逆向洗滌，即，將弱堿性蒸餾水從逆向洗滌的第四道洗漿機入水口加入，經洗滌后得到凈化的纖維，同時引導第四道洗漿機出水口的洗漿水進入第三道洗漿機入水口，引導第三道洗漿機出水口的洗漿水進入第二道洗漿機入水口，引導第二道洗漿機出水口的洗漿水進入第一道洗漿機入水口，第一道擠漿機出水口得到的洗漿水即為黃腐酸稀黑液，pH5～6，收集后進入蒸發濃縮工序。


7.如權利要求1所述的一種聯產黃腐酸的纖維素乙醇工廠化生產系統和方法，其特征在于，凈化纖維素擠漿濃縮，是指，經過逆向洗滌后的凈化纖維素漿料通過雙輥擠漿機擠漿脫水得到高凈化...

【專利技術屬性】
技術研發人員：白博，白嘉妮，王東，劉玉芳，史曉菲，
申請(專利權)人：白博，
類型：發明
國別省市：山東;37