一种以薯类为原料的酒精生态制造方法技术

本发明专利技术公开了一种以薯类为原料的酒精生态制造方法，包括如下步骤：将薯类原料粉碎后按规定料水质量比加入沼液拌料，添加液化酶加热蒸煮液化，冷却后添加糖化酶、接种酵母直接发酵，发酵结束后蒸馏获得酒精。蒸馏废液经过两级沼气发酵、固液分离和脱气等工序，获得酒糟、沼气和污泥等副产物，沼液回用到拌料工序。本发明专利技术所述方法，通过构建酒精酵母、沼气细菌等微生物生态食物链，实现酒精、沼气双发酵耦联，革除占地大、运行成本高的曝气处理，消除了传统发酵酒精生产中的高浓度废水污染问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，具体地说是将酒精发酵和沼 气发酵耦联，形成微生物生态食物链，实现薯类酒精制造高浓度废水零排放，属发酵食品工 业

技术介绍
燃料酒精是目前主要的也是数量最大的生物质能源。受我国人多地少粮食紧平衡 这一国情限制，以薯类为原料生产酒精将是我国发展生物质能的主要途径。然而薯类乙醇 制造过程中产生的大量蒸馏废液的污染问题也成为制约它进一步发展的瓶颈。解决酒精蒸馏废液污染问题的常规方法是采用“厌氧_好氧”的生化处理技术，但 该技术投资大、占地面积多、运行费用高，且外排废液完全达标十分困难。为消除废水的困 扰，很多学者对酒精蒸馏废液直接回用拌料工艺进行了广泛的研究。实践发现蒸馏废液作 为拌料水直接回用存在3个问题(1)木薯酒精蒸馏废液含有较高的固形物残渣需预先除 去，但残渣中还存在少量泥沙，在高温(约86°C)及低pH(约3. 8)条件下进行固液分离，使 分离装备承受着物理磨损和化学腐蚀的双重叠加效应，装备材料损耗大且不经济；(2)由 于酒精发酵所用淀粉酶和糖化酶的最适作用PH分别为6. 0和4. 2，呈酸性的废液直接回用 时，则先要加碱调节pH至6. 0左右以便液化，然后加酸下调pH至4. 0-4. 2进行糖化。不仅 消耗酸和碱，还引入大量可溶性离子，威胁工艺的长期稳定运行；(3)废液中存在大量酒精 酵母代谢的末端产物，如低碳有机酸，甘油、乙醇同系物(丁醇、戊醇、异戊醇)等难以蒸馏 除去的难挥发性有机物，直接循环利用，势必积累。目前工业规模上的废液直接回用只能达 到20-30%水平(如河南天冠企业集团)，大部分的蒸馏废液仍然需要“厌氧好氧”处理后 再经“深度处理”才能排放。专利200610097623. 0提出了一种以薯类为主原料的酒精环形生产工艺，薯类原 料中的淀粉质糖经酵母发酵转化为乙醇，而酵母难以利用的纤维质、果胶质以及酵母本身 的代谢末端产物经甲烷菌系发酵成沼气，以沼气发酵后的厌氧出水(沼液)作为下一轮乙 醇发酵的拌料用水。该技术解除了蒸馏废液中有机物对酒精发酵的影响，同时消除了循环 体系中物质积累的隐患。沼气发酵后出水的pH处于7. 6-8. 2范围，碱度较高，较高的碱度导致在酒精发 酵前下调PH过程中使用了较多的硫酸(通常酒精发酵接种前需将醪液用硫酸下调PH至 4. 0-4. 2，既抑制细菌生长，也适应糖化酶最适pH的要求)。硫酸带入的S042_对酒精发酵没 有影响，但对后续的沼气发酵会产生影响。在厌氧环境中SO/—被逐步还原成H2S, H2S达到 一定浓度时将对甲烷菌系产生毒害作用，从而抑制了小分子有机酸向甲烷转化的速率，致 使沼液中的乙酸、丙酸等小分子有机酸浓度上升，严重时危及沼气发酵的正常运行。为解决这一问题，专利200710131856. 2提出将部分酸性的蒸馏废液回用到糖化 工序，以蒸馏废液中的有机酸替代外加的硫酸，减少糖化时硫酸的使用量，降低蒸馏废液中 的SO42-离子浓度，保证沼气发酵的正常运行。研究结果表明，蒸馏废液或沼气发酵后厌氧出水中的小分子有机酸含量较高时对酒精酵母的生长有明显的抑制作用，酒精发酵难以正 常进行，严重时导致发酵彻底失败。其次，蒸馏废液或厌氧出水中的杂菌也危及酒精发酵的 正常进行。综上所述，实现酒精、沼气双发酵耦联要解决三个关键问题一是酒精发酵中要尽 量减少SO/—离子的外源田间，降低SO/—离子的浓度，保证沼气发酵的正常运行；二是沼气 发酵要尽量降低厌氧出水(即沼液)中小分子有机酸浓度，避免沼液回用时有机酸对酒精 酵母的抑制作用；三是如何避免蒸馏废液、沼气发酵出水中杂菌对发酵的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，消除酒精、沼气双发酵耦联中存在 的协调问题，保证酒精、沼气发酵能够正常稳定运行，从而实现酒精制造过程中高浓度废水 的零排放，解决发酵法制造酒精的污染问题，同时节约大量宝贵的水资源。研究结果表明，当酒精蒸馏废液中的SO/—离子浓度彡5g/L时，沼气发酵能够高效 稳定运行。而在酒精发酵工艺过程中，SO42-离子主要在液化和糖化工序引入。液化工序液化酶的最适作用pH值在6. 0-6. 4之间。由于沼气发酵出水的碱度 较高，加入薯类淀粉拌料后淀粉浆的PH值高于液化酶的最适作用pH值，因此需要加入硫酸 调整淀粉浆的PH值。进一步的研究结果表明，沼气发酵出水中因为溶解了大量CO2后形成 HCO3-离子，导致碱度增加。通过脱气处理排除沼气发酵出水中溶解的CO2，可有效降低沼气 发酵出水的碱度，从而减少液化工序的硫酸消耗。糖化工序糖化酶的最适作用pH值在4. 2-4. 4之间。提高糖化前液化液的pH值， 可减少糖化前的硫酸添加量，但会降低糖化酶的活性。进一步的研究结果表明，酒精发酵液 的PH值在发酵过程的前12个小时迅速下降，发酵8h时pH已下降至4. 0-4. 4，进入糖化酶 的最佳作用PH范围，从而确保了糖化过程的顺利进行。因此，提高糖化初始pH或甚至不糖 化，酒精发酵不会受到影响。进一步的研究结果表明，当沼液中小分子有机酸的总浓度<4g/L时，沼液回用对 酒精发酵无影响。通过液化、糖化工序的改进，控制酒精蒸馏废液中SO42-离子浓度彡5g/L， 保证了沼气发酵的高效运行。其次，通过两级沼气发酵，蒸馏废液中COD降解率达到90%以 上，沼液中小分子有机酸的总浓度< 4g/L，沼气发酵出水回用拌料对酒精发酵不仅无影响， 还有促进作用。基于上述研究结果，本专利技术采用以下工艺步骤1、拌料将经过粉碎后的原料和脱气后的沼液混合拌料，控制料水质量比为 1 1.5-3. 2，搅拌并添加硫酸调整淀粉浆的PH值在5. 6-6. 6之间；所述原料主要指鲜木薯、鲜红薯、木薯干、红薯干等薯类淀粉质物料。步骤1中，如拌料时沼液质量不足，用工艺用水补足。2、液化淀粉浆中添加耐高温α -淀粉酶，淀粉酶添加量为6_15U/g淀粉，然后将 淀粉浆加热到100-110°c，维持30-200分钟使淀粉液化得到液化液，同时杀灭淀粉浆中的 杂菌等微生物；3、发酵液化液冷却到25_40°C，按液化液中淀粉质量添加糖化酶，糖化酶添加量 为80-150U/g淀粉。然后接入液化液体积的6-15%的已培养好的酿酒酵母种子液，或按照0. 01-1. Og/L液化液体积的添加量直接添加酿酒活性干酵母，进行发酵，控制发酵温度在 28-38°C之间，直至发酵结束；4、蒸馏发酵结束后，蒸馏获得成品酒精和蒸馏废液；5、一级沼气发酵蒸馏废液冷却到50_80°C，进入一级沼气发酵罐，一级沼气发酵 温度控制在50-60°C，水力停留时间为0. 5-3天；6、固液分离一级沼气发酵后，经过固液分离去除蒸馏废液中带入的纤维、泥沙类 不溶性固形物，除固形物后的沼液进一步沉降回收活性污泥，活性污泥回流进入一级高温 厌氧反应器，沉降后的沼液进入二级沼气发酵罐；7、二级沼气发酵二级沼气发酵温度控制在30-40°C，水力停留时间为0. 5-2天；8、固液分离二级沼气发酵结束后，固液分离去除沼液中的活性污泥等悬浮颗粒 物，分离回收的活性污泥部分回流进入二级沼气发酵罐，清沼液进入脱气工序；9、脱气去除悬浮颗粒后的清沼液，进入真空脱气罐，控制脱气罐压力 为-0. 06-0. IMpa，脱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
一种以薯类为原料的酒精生态制造方法，采用以下工艺步骤(1)、拌料将经过粉碎后的原料和脱气后的沼液混合拌料，控制料水质量比为1∶1.5 3.2，搅拌并添加硫酸调整淀粉浆的pH值在5.6 6.6之间；(2)、液化淀粉浆中添加耐高温α 淀粉酶，淀粉酶添加量为6 15U/g淀粉，然后将淀粉浆加热到100 110℃，维持30 200分钟使淀粉液化得到液化液；(3)、发酵液化液冷却到25 40℃，按液化液中淀粉含量添加糖化酶，糖化酶添加量为80 150U/g淀粉。然后接入液化液体积的6 15％的已培养好的酿酒酵母种子液，或按照0.01 1.0g/L液化液体积的添加量直接添加酿酒活性干酵母，进行发酵，控制发酵温度在28 38℃之间，直至发酵结束；(4)、蒸馏发酵结束后，蒸馏获得成品酒精和蒸馏废液；(5)、一级沼气发酵蒸馏废液冷却到50 80℃，进入一级沼气发酵罐，一级沼气发酵温度控制在50 60℃，水力停留时间为0.5 3天；(6)、固液分离一级沼气发酵后，经过固液分离去除蒸馏废液中带入的纤维、泥沙类不溶性同形物，除固形物后的沼液进一步沉降回收活性污泥...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宏建，张建华，毛忠贵，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：32