Aspen Plus平台上干法生物炼制技术的流程模拟与过程推演

发布时间：2018-02-20 17:23

  本文关键词： 干法生物炼制 纤维素乙醇 L-乳酸 葡萄糖酸 生物质供应系统　出处：《华东理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：利用木质纤维素原料生产燃料乙醇的生物炼制技术已经进入产业化实施阶段,但其过程技术和工程技术仍然存在巨大的改善空间。干法生物炼制是一种极限低量工艺水和能量投入的进行生物燃料和大宗化学品生产的高效糖平台生物转化技术。由于采用了一系列"干"的过程工艺,包括干式稀酸预处理、固态生物脱毒和高固含量同步糖化与共发酵技术,生物炼制过程在达到与玉米原料生物转化指标接近的高效生物转化的同时,过程能耗、工艺水耗和废水排放量大幅度降低至玉米原料干法加工技术水准。本论文依据干法生物炼制的工艺特点和工程经验,在大型化工流程模拟软件Aspen Plus上建立了木质纤维素原料生产纤维素乙醇、纤维素L-乳酸和纤维素葡萄糖酸的全流程过程模拟模型,对影响生物炼制产业化进程的高酶成本、高加工成本和低转化率等诸多关键因素进行了详细的模型推演,并在流程模拟模型的基础上建立了严格的干法生物炼制技术经济评价模型。通过Aspen Plus平台上的流程模拟和过程模型推演,对过程工艺设计与优化、创新概念的提出与验证、技术可行性评价与分析等与产业化密切相关的因素进行了系统和详尽的研究,实现了干法生物炼制技术水准的大幅提高,生物炼制产品成本的大幅降低,并为产业化放大和设计提供了必不可少的工具和重要的可行性论证方法。本文的第一部分,对Aspen Plus平台上木质纤维素原料生产纤维素乙醇、L-乳酸和葡萄糖酸的干法生物炼制技术进行全流程模拟,作为过程操作推演、技术经济评价和工业设计的基础。整个生物炼制过程包括原料前处理、预处理、生物脱毒、纤维素酶在位生产、糖化与发酵、产品分离与精制、废水处理、木质素残渣燃烧发电、产品储存以及公用工程等10个工段。在全流程模型的基础上,建立了适用于中国国情的严格意义上的技术经济评价模型,对干法生物炼制技术生产纤维素乙醇、乳酸和葡萄糖酸的过程从总资金投入、可变操作成本和固定操作成本等方面进行了严格核算,以最低产品售价(Minimum Selling Price)为目标函数,对过程经济性进行了严格评定。本文的第二部分,通过能量输入和废水产生量的最小化,实现纤维素乙醇工业生产潜力的最大化。以玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、意杨木屑和甘蔗渣为原料,使用工程改造菌株酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae XH7在低纤维素酶用量(10～15 mg酶蛋白/g纤维素)和高固含量(30～35%,w/w)的条件下进行同步糖化与共发酵,实现了高乙醇发酵浓度和得率。其中,使用小麦秸秆在15 mg酶蛋白/g纤维素和35%固含量的同步糖化与共发酵过程中实现了破纪录的101.1 g/L(12.8%,v/v)的乙醇发酵浓度,其乙醇最低售价(Minimum Ethanol Selling Price,MESP)为每加仑 1.93 美元($1.93/gal)。干法生物炼制技术生产1吨燃料乙醇,核心工段(原料前处理、预处理、生物脱毒、糖化与发酵、产品分离与精制)只消耗262.95 kWh电能和8.67 GJ蒸汽,产生7.71吨废水,明显低于稀酸预处理技术(324.56k Wh、11.21GJ和13.91吨)、氨纤维膨爆技术(529.19 kWh、23.04 GJ和18.95吨)和脱乙酰基机械磨浆技术(1028.57 kWh、18.60 GJ和107.39吨)。另一方面,目前玉米乙醇的发酵浓度为12～15%(v/v),生产1吨玉米乙醇的电能和蒸汽消耗以及废水产生量分别为34.46 kWh、7.83 GJ、8.33吨,市场上销售的燃料乙醇售价约$2/gal。可以看出干法生物炼制技术的纤维素乙醇生产技术已经和目前的玉米乙醇处于同一水平。同时考虑到电价补贴、秸秆原料补贴和灰分副产品,MESP可低于 $1.5/gal。本文的第三部分,使用玉米秸秆原料生产L-乳酸发酵进行了实验研究,并在优化的过程工艺条件下进行了 Aspen Plus平台上的工业规模过程设计和技术经济评价。通过解决发酵菌种乳酸片球菌Pediococcus acidilactici TY112絮凝和常规生物脱毒时间较长等问题,经过干式稀酸预处理和快速生物脱毒的玉米秸秆进行30%(w/w)高固含量的同步糖化与发酵,实现了 104.5 g/L L-乳酸的高发酵浓度,其中纤维素到L-乳酸的得率为71.5%。根据干法生物炼制技术特点和优化的L-乳酸生产工艺条件进行严格的工业规模Aspen Plus流程模拟。和其它使用木质纤维素原料生产L-乳酸的工艺相比,本工艺的废水产生量非常低。在没有利用木糖的发酵条件下,L-乳酸的最低售价(Minimum L-lactic acid Selling Price,MLSP)低至$0.559/kg,非常接近淀粉来源L-乳酸的市场售价。本文的第四部分,使用玉米秸秆原料进行了葡萄糖酸钠和木糖酸钠的共发酵和水泥缓凝剂应用的研究,在优化的过程工艺条件下进行了 Aspen Plus平台上的工业规模过程设计和技术经济评价。经过干式稀酸预处理和生物脱毒后的玉米秸秆原料进行每克(g)纤维素10mg酶蛋白的低酶用量的水解,水解浆液不进行固液分离直接接种氧化葡萄糖杆菌Gluconobacter oxydans DSM 2003进行葡萄糖酸和木糖酸的共发酵,实现了 118.13 g/L葡萄糖酸钠和64.27 g/L木糖酸钠的高发酵浓度。葡萄糖酸钠/木糖酸钠混合产品的水泥缓凝效果与市售的淀粉基葡萄糖酸钠水泥缓凝剂相同。质量浓度为50%的混合产品的最低售价(Minimum sodium Gluconate/xylonate product Selling Price,MGSP)为$0.182/kg,低于目前市场上销售的淀粉基葡萄糖酸钠水泥缓凝剂,具有非常强的市场竞争力。本文的第五部分,对使用分散式的干式稀酸预处理实现大规模生物炼制的原料供应系统进行了模型推演。将干式稀酸预处理操作分散到木质纤维素原料产地,进行小规模的预处理操作。然后将预处理后提高体积密度的原料从分散的处理站点运输到中心生物炼制工厂进行固态生物脱毒和高固含量的同步糖化发酵等操作。对这种分散预处理的原料供应链系统进行模型推演,确定了在中国和美国不同地区的最优生物炼制工厂规模和相应的乙醇最低售价。和传统的集中生物质收集方式相比,基于干式稀酸预处理的分散生物质收集方式能够明显降低农作物秸秆的运输成本,增大生物炼制规模,降低生物炼制产品成本。对中国来说,大规模的生物炼制工厂适合建立在东北、华北和中南地区,而美国则集中在中西部。在这些地区可建立与集约化生产的石油炼制工厂规模相近的每天加工原料量超过10,000吨的生物炼制工厂。通过上述研究,建立了干法生物炼制技术工艺的Aspen Plus全流程模型,并根据当前的技术水平对工业规模的生物炼制过程进行推演和评价。结果表明,干法生物炼制技术的高产品浓度和得率、低能耗和低废水排放的特点使其产业化极具社会和环境可行性,而其较低的产品成本使其具有非常强的市场竞争力。分散式的干式稀酸预处理技术使建立超大规模生物炼制工厂成为可能。本论文的研究结果为生物炼制产业化设计、优化和评鉴提供了极为重要的理论依据和工具。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK6
，

本文编号：1519557