[发明专利]一种以薯类为原料的酒精生态制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以薯类为原料的酒精生态制造方法，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领域。

背景技术

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℃)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SO₄^2-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SO₄^2-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SO₄^2-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SO₄^2-离子的外源田间，降低SO₄^2-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。

发明内容

本发明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SO₄^2-离子浓度≤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，SO₄^2-离子主要在液化和糖化工序引入。