技术领域
本发明涉及一种利用农作物茎秆汁液制取燃料乙醇的方法，特别涉及一种利用甜高粱茎秆汁液制取燃料乙醇的方法。
背景技术
燃料乙醇是指可作为燃料使用的无水乙醇，燃料乙醇加变性剂，就成为变性燃料乙醇，变性燃料乙醇和汽油经一定比例混配成为车用乙醇汽油，是一种替代和节约汽油的最佳燃料，它具有廉价、清洁、环保、安全、可再生等优点。生产燃料乙醇就是为车用乙醇汽油提供原料。
甜高粱又称糖高梁，是普通粒用高梁(sorghum bicolor(L.)Moench)的一个变种，其特点是生长速度快，茎秆汁液丰富，含糖量高，且具有高抗逆性，抗旱、抗涝、耐盐碱、耐瘠薄，适合我国干旱半干旱地区种植。
美国是世界上开发利用燃料乙醇较早的国家之一，燃料乙醇生产有近百年的历史，1908年正式用于汽车燃料。巴西政府于1975年制定燃料乙醇行动计划，并大力推广应用于汽车燃料。我国政府于2001年启动了“十五酒精能源计划”并制定了国家标准。建立了几个以玉米小麦成化粮为原料生产燃料乙醇的企业。用甜高粱茎秆汁液生产燃料乙醇，在我国是一个新的技术领域，是不与人争粮不与粮争地，即解决能源危机、环境污染问题，又解决粮食安全问题。
用甜高粱茎秆汁液生产燃料乙醇的工艺，就是在用甜高粱茎秆汁液生产乙醇工艺后再加一个脱水工艺而成。在以往，用甜高粱茎秆汁液生产乙醇的工艺有许多缺点：1.榨汁粗放导致出液率低；2.对汁液不做调制导致乙醇得率低；3.发酵酵母以液体(酵母活化液)形态，加入发酵过程，导致酵母与汁液接触面积小反应缓慢，而且酵母代谢生命短损失大。4.发酵工艺分三段进行(初期、中期、后期)，导致发酵速度慢、产量低，乙醇得率低。
发明内容
克服了以往工艺存在的所有缺点，本发明的目的在于提供一种采用了茎秆前处理、汁液调制、固定化酵母粒子、流态化快速发酵新工艺。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种采用甜高粱茎秆汁液生产燃料乙醇的方法，其包括如下步骤：榨汁、添加发酵酵母、发酵、蒸馏及脱水。其中，所述发酵酵母是以固定化酵母粒子的形式加入发酵过程中，所述固定化酵母粒子是在榨汁得到的汁液中加入灭菌后的海藻酸钠溶液和酵母溶液搅拌制成混合液，所述混合液做匀速旋转运动后滴入CaCl2溶液中以生成海藻酸钠粒子，即得到固定化酵母粒子；其中，所述海藻酸钠溶液的粘度优选为：高粘度500-1000mpa·s(毫帕·秒)，酵母溶液浓度优选为：22-25％(质量百分比)；所述CaCl2溶液浓度优选为：74％(质量百分比)，温度优选控制在20℃。
进一步，在发酵开始阶段，将清新空气送进发生器，同时把固定化酵母离子和发酵汁液送进发生器，采用压缩空气搅动酵母粒子和发酵汁液上下翻动，发酵代谢产生大量的乙醇和二氧化碳气体，并放出热量，二氧化碳气体所带的醪液经冷却后经气液分离，醪液进入贮醪箱，气体进入压缩机送进发生器，由二氧化碳气体代替空气作为发生器发酵反应的气体动力，不断的循环，在发酵体内部形成良好的流体化发酵反应。
优选的，所述方法包括榨汁前处理的步骤，是去除甜高粱茎秆上的枝、叶及包裹在茎秆上的外鞘，再进行清洗的处理。
所述榨汁是将预处理后的甜高梁茎秆进行榨汁处理，使其液渣分离得到清洁的汁液。
所述榨汁步骤之后进一步包括汁液调制步骤，是对清洁的汁液进行酸化、稀释、添加营养盐三个工艺调制。所述酸化是将稀盐酸直接加入到原汁液中，测汁液的pH值使其达到4-4.5为佳；所述稀释是将浓度为74-80％(质量百分比)的原汁液，加水稀释到25％(体积百分比)为最佳；所述添加营养盐将氮素和镁盐加入稀释好的汁液中搅匀，氮素加入量为汁液中糖含量的0.15％-0.18％，镁盐加入量为汁液中糖含量的0.05％-0.06％，所述糖含量为汁液总质量的25％。所述氮素例如但不限于为(NH4)2SO4或其他常用氮素，镁盐例如但不限于为MgSO4或其他常用镁盐。
所述蒸馏是将发酵后的醪液蒸馏得到体积百分比为95％的乙醇，之后将上述所得乙醇脱水处理得到燃料乙醇。
本发明还提供一种采用甜高粱茎秆汁液生产燃料乙醇的装置，包括榨汁机、汁液储存装置、固定酵母流态化发酵成醪发生装置、双塔蒸馏装置和分子筛选脱水系统。其中，所述固定酵母流态化发酵成醪发生装置，包括发酵汁液贮存器、发生器以及贮醪箱，所述的发酵汁液贮存器设有一个发酵汁液输入管道，并通过一个第一醪液泵和一根第一醪液输送管道连通到所述的发生器，所述的发生器的上部设有成熟醪液溢流口，所述的成熟醪液溢流口通过一根成熟醪液输出管道连通至所述的贮醪箱；所述的发酵汁液贮存器还通过一个第二醪液泵和一根第二醪液输送管道连通到一个固定酵母造粒器，所述的固定酵母造粒器再通过一根酵母粒子输送管道连通至所述的发生器。
较佳的技术方案中，在发生器上方密封连接有一个汽泡捕捉器，所述的汽泡捕捉器通过一根二氧化碳冷凝排出管道连通至一个气液分离器，所述的气液分离器的液体输出端连通至所述的贮醪箱，所述的气液分离器的气体输出端与一个二氧化碳净化器连接，所述的二氧化碳净化器再通过一个气体压缩机连通至一个稳压贮气室，所述的稳压贮气室设有一个连通到所述的发生器的底部的压缩气体输入口。
本发明采用甜高粱茎秆汁液生产燃料乙醇的方法具有以下优点：
1.对甜高粱茎秆进行预处理，提高出液率；
2.对榨汁得到的汁液进行特殊的调制，提高乙醇得率；
3.发酵酵母以固定化酵母粒子形式与汁液充分接触，使得反应激烈、迅速、充分；
4.采用了固定酵母流态化成醪发生器的发酵工艺连续、发酵速度快、产量高，乙醇得率高；
5.本发明采用的新工艺最大的特点是没有三废排出，全部二次利用：
废水：茎秆前处理产生的废水，经沉淀处理后又循环利用了。其他工艺过程中产生的废液都排入沼气池充分利用。沼气池中产生的废沉淀物可做肥料肥田使用；
废气：发酵过程中产生的CO2，经发生器的气泡捕捉器、冷凝排管、CO2净化器、气体压缩机处理后又送回到发生器做流态化发酵的气体动力之用；
废渣：茎秆前处理产生的废枝、叶、鞘及榨汁过程产生的大量废渣都是制作饲料的好原料加以充分利用。
本发明固定酵母流态化发酵成醪发生装置的特点是：
1.发酵速度快。由于用了固定化粒子流态化发酵工艺，扩大了酵母和糖化醪的接触面积和接触次数，加快了酵母菌体对糖液的分解代谢，从新料进入发生器，到成熟醪从溢流口输出，只需要2小时，比三段式发酵工艺提高10倍之多。
2.自动化程度高、设备占地面积小、省资源、省人力。从原料输入、换气到温控都采用数字控制技术，控制准确快速，不浪费原料，不浪费时间。
3.酒精转化率高。从换气开始发酵全过程都在厌氧封闭的环境下进行的，很少有污染，酒精转化率达90％以上。
附图说明
图1为本发明实施例中甜高粱茎秆汁液生产燃料乙醇的流程图；
图2是本发明的固定酵母流态化发酵成醪发生装置的结构示意图；
图3是汽泡捕捉器的挡板的平面结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。
特举一实施例来说明本发明方法的具体步骤，其流程如图1所示。
1.榨汁前处理：将甜高粱在其茎秆糖分累计较高时节收获，采收后取其茎秆，对茎秆进行去除茎秆上的枝、叶及包裹在茎秆上的外鞘，再进行清洗的处理。清洗废水经沉淀后再循环利用，其废渣排入沼气池利用。
2.榨汁：将预处理后的甜高梁茎秆进行常规榨汁处理，之后可经过常规的沉淀过渡使其液渣分离，得到清洁的汁液。
3.汁液调制：对压榨得到的汁液进行酸化、稀释、添加营养盐三个工艺调制，对制造酵母粒子和进行发酵工艺都很有益处。
a.酸化处理：酸化的目的一是为原汁杀菌，二是为酵母生长繁殖创造合适的环境(pH＝4-4.5)。其方法是将稀盐酸直接加入到原汁液中，测汁液的pH值使其达到4-4.5为佳；
b.稀释处理：将浓度为74-80％(质量百分比)的原汁液，加水稀释到25％(体积百分比)为最佳，此浓度是酵母繁殖生长的最佳浓度；
c.添加营养盐：酵母在不同糖液中繁殖生长要求不同的营养成分，在甜高粱糖汁液中需要增加氮素和镁盐。其方法是将氮素和镁盐加入稀释好的汁液中搅匀，其使用量：氮素为汁液中糖含量的0.15％-0.18％；镁盐为汁液中糖含量的0.05％-0.06％，所述糖含量为汁液总质量的25％；所述氮素为(NH4)2SO4，镁盐为MgSO4。
4.发酵：本发明的发酵过程在固定酵母流态化发酵成醪发生装置中进行，结合图2所示，其主要包括发酵汁液贮存器1、发生器20以及贮醪箱14，所述的发酵汁液贮存器1设有一个发酵汁液输入管道19，以供发酵汁液进入发酵汁液贮存器1中，所述的发酵汁液贮存器1又通过一个第一醪液泵B和一根第一醪液输送管道5连通到所述的发生器20，所述的发生器20的上部设有成熟醪液溢流口4，下部设有发酵废液排出口10，所述的成熟醪液溢流口4通过一根成熟醪液输出管道17连通至所述的贮醪箱14。
与现有技术不同，本发明是使用固定化酵母粒子来实现发酵过程。如图2所示，所述的发酵汁液贮存器1还通过一个第二醪液泵A和一根第二醪液输送管道5’连通到一个固定酵母造粒器2，所述的固定酵母造粒器2再通过一根酵母粒子输送管道6连通至所述的发生器20。所述的固定酵母造粒器2是现有技术，是在由发酵汁液贮存器1内输送过来的汁液中加入灭菌后的海藻酸钠溶液(高粘度500-1000mpa·s)和酵母溶液(质量百分比为22-25％)，并搅拌制成混合液，再将混合液连续输入到桶式离子甩盘内，做匀速旋转运动，由于混合液体的粘性，使液体沿盘边缘处以一定线速度，断续飞离甩盘，顺着桶壁落入下部的质量百分比为74％的CaCl2溶液(20℃)中，很快反应生成海藻酸钠粒子，即固定化酵母粒子。
所述的发酵汁液以及固定化酵母粒子一进入发生器20内相互接触，发酵就开始了，发酵过程产生大量的乙醇和二氧化碳气体，并放出热量。二氧化碳气体与热量不断聚集，导致发生器20内压力和温度逐渐上升。当发生器20内的压力达到一定值以后，二氧化碳气体将带着成熟醪液的蒸汽进入密封连接在发生器20上方的汽泡捕捉器3内，所述的汽泡捕捉器3内具有一个挡板7，挡板7上开设有多数个细孔71(如图3所示)，以供气体通过，并将液体与固定残渣隔离在外。所述的汽泡捕捉器3再通过一根二氧化碳冷凝排出管道18连通至一个气液分离器15，成熟醪液在气液分离器15内被分离出来，从所述的气液分离器15的液体输出端进入所述的贮醪箱14内被收集，而二氧化碳气体从所述的气液分离器15的气体输出端中分离出来，进入一个二氧化碳净化器13。经过净化后的二氧化碳气体再经过一个气体压缩机11的加压，进入一个稳压贮气室9内，当稳压贮气室9内压力达到设定值后，即可通过一个压缩气体输入口8再次进入所述的发生器20的底部。进入发生器20底部的二氧化碳气体在浮力作用下上升，带动发生器20内的醪液一同上升，起到搅拌醪液的作用。如此，第一醪液泵B不停地将发酵汁液泵入发生器20中，固定化酵母粒子也从所述的酵母粒子输送管道6持续进入发生器20内，而成熟醪液也持续地从成熟醪液输出管道17以及气液分离器15的液体输出端进入贮醪箱14内被收集，说明本发明可以达到持续量产。
其中，为了使发酵汁液能够与固定化酵母粒子充分接触，本发明将所述的发生器20的内壁设置成圆筒形状，而所述的醪液输送管道进入所述的发生器20的入射方向平行于发生器20内壁的切面方向，使得入射的醪液可以沿着圆筒形状的发生器20内壁作圆周运动。而所述的稳压贮气室9的压缩气体输入口8进入所述的发生器20的入射方向平行于发生器20的中轴线方向入射，带动发酵汁液和固定化酵母粒子沿轴线方向上升。这时，发生器20内切向的流体速度与沿轴向的流体速度矢量叠加呈螺旋上升的运动，周而复始不断运动，在运动过程中带动成熟醪液不断上浮聚集于成熟醪液溢流口4处而外溢，不断送入贮醪箱14中。
需要补充的是，在本发明的发生装置的启动阶段，还没有足够的二氧化碳气体产生以供搅拌发生器20中的醪液，就需要在所述的气体压缩机11的输入口处连接一根空气输入管道21，然后在所述的空气输入管道21上设置一个空气净化器12，净化后的空气从所述的气体压缩机11压入所述的稳压贮气室9中，压力达到设定值后，空气即通过所述的压缩气体输入口8进入所述的发生器20的底部，以达到搅拌醪液的目的。而一旦发生器20内产生二氧化碳气体通过所述的二氧化碳净化器13后进入所述的气体压缩机11的输入口，则所述的空气输入管道21自动关闭，由CO2代替空气做搅拌动力和发酵动力，具体体现在：
a.带动发酵液沿轴线上升，可调节发酵液的流体速度，控制发酵液和酵母粒子的进入量。
b.带动发酵液沿发生器壁的切向按一定速度做圆周运动。由切向的流体速度和竖直方向上的流体速度的矢量叠加，使发酵液呈螺旋上升的运动。
c.二氧化碳气体可在固定酵母粒子表面形成气膜，产生浮力加入到发酵液的螺旋运动之中，到顶部气膜破灭，粒子就沿发生器壁下沉至底部，又被气体包围形成气膜上升运动，不断的循环，在发酵体内部形成良好的流体化发酵反应。
另外，本发明所述的发生装置还设置有能够控制发生器20内部醪液温度的温控器16，所述的温控器16电连接有能够测量发生器20内部醪液温度的温度检测元件(未予图示)。在所述的汽泡捕捉器3、醪液输送管道、稳压贮气室9中分别设置一个流量控制阀(未予图示)，然后将所述的温控器16分别与所述的汽泡捕捉器3、醪液输送管道以及稳压贮气室9中的流量控制阀电连接，再将所述的温控器16电连接到所述的气体压缩机11的控制电路(未予图示)，就可以对发生器20内部醪液温度进行控制了。例如，一般设定控制温度在33℃～34℃之间，当温度高于34℃时，温控器16将降低醪液输送管道的输送速度，并提高汽泡捕捉器3的输出速度和气体压缩机11以及稳压贮气室9的输送速度，使冷的二氧化碳气体快速进入发生器20内降温；当温度低于33℃时，则反方向控制，以使温度始终保持在33℃～34℃之间。
5.蒸馏：采用传统的双塔蒸馏方法。即用水泵将发酵成醪液泵入液体蒸馏塔中，再打开蒸汽阀门加汽蒸馏，同时打开冷凝器的冷却水系统阀门(冷却水保持在35℃以下，如高于35℃影响乙醇气体质量)即得到浓度为95％(体积百分比)以上的乙醇气体。
6.脱水：采用传统的分子筛选脱水方法。即在蒸馏系统后面直接连接分子筛选脱水系统，将来自精馏塔95％(体积百分比)以上的乙醇气体，通过再浮器加热后进入分子筛塔脱水得到99.8％(质量百分比)的无水乙醇(燃料乙醇)。
7.副产品及其利用：
蒸馏出乙醇后的废液，可以生产沼气，回用于蒸馏系统用做燃气。
本发明的副产品蒸馏后的茎秆渣可以用做牛、羊饲料、生产纤维板、生产纸浆等，用处十分广泛。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。