甜高粱秸稈固態(tài)連續(xù)蒸餾制取乙醇的實(shí)驗(yàn)研究

1、第 3 7卷 第 4期 化 工 機(jī) 械 甜 高 梁 秸 稈 固態(tài) 連 續(xù) 蒸 餾 制取 乙醇 的 實(shí)驗(yàn) 研 究 趙 義旭 李 占勇葉京 生 ( 天津科技大學(xué) )王 祥 河 許 勤 虎 ( 天津工業(yè)微生物所 )摘 要 提 出一 種 固態(tài) 連 續(xù) 蒸 餾 工 藝 ， 制 作 固 態(tài) 蒸餾 實(shí)驗(yàn) 裝 置 ， 進(jìn) 行 了從 固 態(tài)發(fā) 酵甜 高 粱 秸 桿 中連 續(xù) 蒸 餾 制 取 乙醇 的 實(shí)驗(yàn) ， 分 析 了 不 同 裝料 高度 下 乙醇

2、 餾 出濃 度 隨 時(shí) 間 的 變 化 規(guī) 律 。關(guān) 鍵 詞 固 態(tài)連 續(xù) 蒸 餾 裝 置 乙醇 醅層 高 度 中 圖 分 類 號(hào) T Q 0 5 1 ． 81文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí)碼 A文 章 編 號(hào) 0 2 5 4 — 6 0 9 4 ( 2 0 1 0 ) 0 4 - 0 4 0 9 - 0 4以玉米 陳化 糧 為 主要 原 料 制 取 乙醇 ， 從 長(zhǎng) 遠(yuǎn) 看存 在著 糧 食安 全 問(wèn)題 ? 。 因此 ， 必 須 尋求 不 與 糧 爭(zhēng)地

3、 、 不 與人 爭(zhēng) 糧 、 不 與 牲 畜 爭(zhēng)飼 料 、 不 與其 他 產(chǎn)業(yè) 爭(zhēng)原 料 的新 型 乙醇生 產(chǎn) 原料 。研 究發(fā) 現(xiàn)包 括 甜 高梁 在 內(nèi)的一 些綠 色 能源 作物 的秸 稈 中含有 大 量糖 分 或可 轉(zhuǎn)化 為 糖 分 的有 效 物 質(zhì) ， 經(jīng) 過(guò) 發(fā) 酵 及 蒸餾 可 制 得 乙 醇 。 目前 ，利 用 甜 高 粱 莖 稈 生 產(chǎn) 乙醇 已成 為生 物質(zhì) 能源 領(lǐng)域 中的重 要研 究課 題 之一 。甜高 粱莖 稈 固

4、態(tài)法 生 產(chǎn) 乙醇是 先將 新鮮 莖 稈粉 碎 成 碎 渣 物 ，然 后 接 種 發(fā) 酵 ，再 經(jīng) 蒸 餾 制 得 。甜高 粱莖 稈制 取 乙醇 可分 為液 態(tài) 發(fā)酵 和 固態(tài) 發(fā)酵 工藝 。由于 液 態(tài) 工 藝 過(guò) 程 會(huì) 產(chǎn) 生 大 量 的水 ，并最 終形 成 污水排 出 ， 嚴(yán) 重污 染環(huán) 境 ， 即使 采取 廢 液處 理裝 置也 要增 加 投資 費(fèi)用 和 能耗 。相 比較 固 態(tài)工 藝卻 近乎 達(dá) 到 零 排 放 ， 蒸 餾 后

5、 的廢 渣 可 以 充 分利 用 ， 如甜 高梁 廢 渣 經(jīng) 干 燥 處 理 后 可 以制成 飼 料或 燃料 ， 整個(gè) 生 產(chǎn)過(guò) 程無(wú) 廢水 、 廢 渣排 放 。 固態(tài) 工藝 雖有 它 的優(yōu)點(diǎn) ， 但 也有 制 約它發(fā) 展 的瓶 頸 ， 當(dāng) 前 我 國(guó) 乙醇 固態(tài)蒸 餾一 直延 續(xù) 著傳 統(tǒng) 的間歇 式 操 作模 式 ， 即將 發(fā)酵 好 的醅料 通過(guò) 人工 裝 甑 ， 見(jiàn) 汽 撒 料 ， 滿 甑 加蓋 ， 冷 凝 收 集 酒 體 ， 蒸

6、 餾 后 出渣 。 間 歇 蒸 餾工 藝 勞動(dòng) 強(qiáng)度 大 ， 操 作 時(shí) 間長(zhǎng) ， 制 約 著 固態(tài) 工 藝 的大規(guī)模 生產(chǎn) 。為 此 ， 筆 者 對(duì) 傳 統(tǒng)蒸 餾 工 藝 進(jìn) 行 了研 究 ， 并在 此 基 礎(chǔ) 上 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 發(fā) 出 一種 新 型 的 固態(tài)連 續(xù)蒸 餾裝 置 ， 實(shí)現(xiàn) 了連續(xù) 進(jìn)料 與 出料 。1固態(tài)連續(xù) 蒸餾 工 藝 固態(tài) 蒸餾 裝 置 可 以認(rèn) 為是 一 特 殊 的 填 料 塔 ，含有 6 0 ％水 分 以及 乙

7、醇 和數(shù) 量 眾 多 的 微 量 香 味 成 分 的酒 醅既 是填 料又 是被 蒸餾 的物 料 。在蒸 汽 的不 斷加 熱下 ， 塔 內(nèi)酒 醅料 溫度 不斷 升高 ， 下層 醅 料 的可揮 發(fā)組 分 濃 度 逐層 不 斷變 小 ， 上 層 醅 料 逐 層變 濃 ， 這樣 在酒 醅 層 內(nèi)就 形 成 了 乙醇 的濃 度 梯 度 。蒸 餾過(guò) 程 中 ， 每 個(gè)醅 層都 要 經(jīng)歷 5個(gè) 階段 ， 即 冷醅 ； 受 熱 升 溫 、 增 濃 ；

8、高濃 度 平 衡 態(tài) ； 貧 化 成糟 ；最后 變?yōu)榫?糟 。在 高濃 度平 衡 區(qū) 以上 是 乙醇 的升 溫 、 增濃 區(qū) ， 高 濃 度 區(qū) 以下 乙醇 濃度 逐 漸 降 低 ， 出 現(xiàn) 貧化 區(qū) ， 繼續(xù) 減低 至 乙醇濃 度 接近零 的酒 糟 區(qū) 。酒 醅 中 的乙醇 及 香 味成 分 經(jīng) 過(guò) 汽 化 、 冷 凝 再 汽 化 而達(dá) 到多組 分 濃縮 、 提取 之 目的 ， 少量 難揮 發(fā)組 分 也 同 時(shí)帶 出蒸 入 乙 醇 中

9、 。 兩 個(gè) 濃 度 變 化 區(qū)或 濃 度變 化峰 面 以不 同 的速 度 同時(shí) 向上 推移 ， 整個(gè) 過(guò) 程是 一個(gè) 濃 度梯 度 形 成 和 下 降 的 過(guò) 程 ， 實(shí) 際 上 是 一個(gè) 精餾 過(guò) 程 。通 常 ， 當(dāng)升 溫增 濃 峰 面 透 出酒 醅 開(kāi)始 蒸 出 乙 醇 時(shí) ， 大部分 醅 層 已經(jīng) 貧 化 成 糟 。繼 續(xù) 蒸 餾 至 乙 醇 濃度 較低 時(shí) ， 將 其 下 至殘 留段 ， 以達(dá) 到將 其殘 留 乙醇進(jìn) 一步

10、提 取 的作 用 ， 同 時(shí)提 高 蒸 餾 段 的 乙醇 濃 度 ， 完 成整 個(gè)蒸 餾過(guò) 程 。在 蒸汽 的不 斷 加 熱 下 ， 高 濃 度 區(qū) 的 乙 醇不 斷 汽 化 ， 為維持 濃 度梯 度 ， 本 裝置 設(shè)計(jì) 了蒸 汽 回流機(jī) 構(gòu) ， 即部 分蒸 餾氣 體 由蒸餾 段 回流 至預(yù)熱 段 ， 與醅 $ 趙 義旭 ， 男 ， 1 9 8 3年 2月 生 ， 碩 士 研 究 生 。 天 津 市 ， 3 0 0 2 2 2 。第 3

11、 7卷 第 4期 化 工 機(jī) 械 4 1 1度 與 乙醇蒸 餾 效果 的關(guān) 系 。實(shí) 驗(yàn)分 別 比較 了料 層 厚 度 為 7 0 0 、 8 0 0、 9 0 0、 1O 0 0 mm 時(shí) ， 預(yù) 熱 時(shí)間 、 酒 體 高 、 中 、 低 濃 度段 占餾 酒 總量 的百 分 比 以及單 位 料 層 高度 下產(chǎn) 酒量 的變化 規(guī)律 ( 圖 2 ) 。{ 控 I鏈 圖 2不 同醅層 高度 下 乙醇 濃度 與 時(shí)間 的關(guān) 系由圖 2可知

12、 ， 醅 層 高 度 對(duì) 單 位 醅 高 的產(chǎn) 量 有 明顯 的影 響 。 隨著 層 高 的增 加 ， 單 位 醅 高 的產(chǎn) 量 不 斷增 加 。表 現(xiàn) 在 當(dāng) 乙 醇 濃 度 基 本 相 同 的 情 況 下 ， 隨 醅層 高 度 的增 加 ， 乙醇 餾 出 時(shí) 間 向后 推 移 。在 不 同醅 層 高度 時(shí) ， 乙醇 餾 出速度 曲線 近 似平 行 ，可 見(jiàn) 乙醇濃 度梯 度 的形 成 是 連 續(xù) 的 ， 可 滿 足 連 續(xù) 進(jìn)料 與

13、連 續(xù) 出料 ， 實(shí)現(xiàn) 設(shè)備 的連續(xù) 化操 作 。不 同醅層 高 度 下 ， 3段 乙 醇 的得 率 百 分 比如 圖 3所 示 。從 理 論 上 講 隨 著醅 層 高 度 的 增加 ， 高 濃 度 乙醇 得 率 應(yīng) 該 是 增 加 的 ， 但 實(shí) 際 并 非 如 此 。由圖 3可 看 出醅層 高 度 為 1O 0 0 m m 時(shí) ， 高濃 度 乙 醇 與 中 濃 度 乙 醇 得 率 幾 乎 相 等 ； 而 醅 層 高 度 為 8 0

14、0 mm 時(shí) ， 高濃 度 乙醇 得 率 近 似 為 中濃 度 乙醇 的 2倍 。這是 因?yàn)樵?沒(méi)有 通蒸 汽 時(shí) 乙醇 就 已經(jīng) 蒸 發(fā) 了 ， 并在 表層 物料 上方 形 成一 定濃 度 的 乙醇蒸 氣 ；當(dāng)通人蒸 汽 后 ， 形 成 了濃 度 梯 度 ， 在 “ 拖 帶 力 ” 作 用 下 ， 乙醇 向表層 富集 ， 當(dāng)表層 物料 中乙醇 濃度 與 物料 上層 乙 醇濃度 相 等 時(shí) ， 便形 成 了動(dòng) 態(tài)平 衡 ， 使 高濃 度

15、 乙醇得 率 降低 。 由于醅 料 的疏松 程 度與 醅 層 高度有 直 接關(guān) 系 ， 因此 醅 層 的高 度 并 非 越 高 越 好 。如果 醅料 水分 較 高 ， 疏 松程 度 較差 ， 過(guò) 分地 提 高 醅 層 高 度 ， 將 會(huì) 出現(xiàn) “ 壓 甑 ” 現(xiàn)象 ， 不 利 于 乙醇 運(yùn)l Ⅲ 最 磕 醅層高度／ r am 圖 3不 同 濃 度 乙 醇 占整 體 的 百 分 比 的擴(kuò)散 和 餾 出 。因 為 疏松 度 過(guò) 低 ，

16、阻礙 了氣 液 的 熱 量 和 質(zhì) 量 傳 遞 。綜 合 考 慮 醅 層 高 度 為 8 0 0 m m 時(shí) ， 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果 最佳 。4結(jié) 論 將 甜 高粱 秸桿 固態(tài) 發(fā) 酵制取 乙醇 的蒸 餾 過(guò)程 分為 預(yù)熱 、 主蒸 餾 和輔蒸 餾 3部分 ， 可 以實(shí) 現(xiàn)連 續(xù) 的蒸 餾過(guò) 程 。通 過(guò) 實(shí) 驗(yàn) 研究 ， 該 蒸餾 裝 置 對(duì) 原 料 醅層 的 高度有 一定 的要 求 ， 醅層 過(guò)高 ， 醅料 疏 松度 降低 ， 不 易蒸 餾

17、 ； 醅 層 過(guò) 低 ， 會(huì) 影 響蒸 餾 效 率 。為 此 ， 醅 層 高度 一般 取 8 0 0 mm為 宜 。固態(tài) 連續(xù) 蒸 餾 裝 置 和技 術(shù) 的開(kāi)發(fā) ， 對(duì) 固態(tài) 法 乙醇實(shí) 現(xiàn)連續(xù) 化 、 規(guī) 模 化 生產(chǎn) 具有 重要 意義 。參 考 文 獻(xiàn) 1 劉 榮 厚 ， 李 金 霞 ， 沈 飛 等 ． 甜 高 粱 莖 稈 汁 液 固定 化 酵 母 酒 精 發(fā) 酵 的研 究 ．農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) ， 2 0 0 5 ， 2 1

18、( 9 ) ： 1 3 7—1 4 02 許勤虎 ， 王祥河 ， 宋 繼 田等． 甜 高粱秸稈 固態(tài)連 續(xù)發(fā) 酵 及 蒸 餾 生 產(chǎn) 乙 醇 工 藝 及 系 統(tǒng) ． 中 國(guó) ， 2 0 0 8 1 0 1 5 2 4 6 5 ． 33沈 怡 方 ． 白酒 的 甑 桶 蒸 餾 ． 釀 酒 ， 1 9 9 5 ， 5 ( 1 1 O ) ： 7～1 84 葉京生 ， 許勤虎 ， 王祥河等 ． 多 段差壓 式固態(tài) 連續(xù)蒸 餾 裝 置 ． 中

19、國(guó) ， 2 O O 8 2 0 l 4 2 6 7 8 ． 35 宋繼 田， 許 勤 虎 ， 王 祥河 等． 差 壓式 固態(tài)連 續(xù) 蒸餾 工 藝 ． 中 國(guó) ， 2 0 0 8 1 0 1 5 2 4 6 4 ． 96 蒲 凌 龍 ． 醅 層 高 度 對(duì) 白 酒 蒸 餾 及 酒 質(zhì) 影 響 的 研 究 ． 釀 酒 科 技 ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 4 2～ 4 6( 收稿 日期 ： 2 0 0 9 — 1 0 — 1 2 )E

20、 x p e r i me n t a lSt u d i e so nE x t r a c t i n gE t h a n o lf r O m F e r me n t e dS we e tSo r g h u m St a l k si nCo n t i n u o u sDi s t i l l a t i o no fSo l i dS t a t eZHAO Yi x u ’ ， L IZh a n y o n