发酵法5万吨乙醇的工艺设计化工设计.doc

湖 北 大 学化学化工学院化工设计 发酵法年产5万吨乙醇的工艺设计学生姓名 王庆玲 学 号 2009221106100126 专 业 化学工程与工艺 年 级 2009级 指导老师 杨世芳 日 期 2013-1-7 目 录1 概述41.1乙醇的性质及质量标准41.1.1物理性质41.1.2化学性质41.1.3生化性41.1.4质量标准41.2乙醇生产的意义及发展史 51.2.1乙醇生产的意义51.2.2乙醇生产的发展51.3乙醇的应用领域61.4主要生产工艺61.4.1合成法61.4.2发酵法72 乙醇发酵工艺112.1木薯的处理112.1.1原料除杂112.1.2原料粉碎112.1.3原料输送122.2液化和糖化122.2.1液化122.2.2糖化132.3乙醇发酵132.3.1乙醇发酵常用的微生物132.3.2酵母生长条件142.3.3酵母的培养工艺142.3.4发酵乙醇的机理162.3.5乙醇发酵工艺162.3.6乙醇发酵的成熟指标163 物料衡算173.1原料消耗的计算173.1.1每吨95%乙醇木薯干的消耗量173.1.2每吨95%乙醇-淀粉酶的消耗量173.1.3每吨95%乙醇糖化酶的消耗量183.2醪液量的计算183.3发酵过程的计算193.3.1发酵罐的计算193.3.2发酵热的计算203.3.3成熟醪发酵液中乙醇含量223.4换热器选型223.4.1塔（T-1）塔顶冷凝器（E-1）223.4.2塔（T-2）塔顶冷凝器（E-2）233.5储罐选型233.5.1储罐(V-1)233.5.2其它储罐选型233.6泵的选型243.6.1泵(P-1)243.6.2其它泵的选型243.7小结25符号说明26致谢27参考文献28附录 工艺流程图291 概述1.1乙醇的性质及质量标准乙醇又名酒精，是由碳、氢、氧3种元素组成的有机化合物，分子式为C2H5OH，结构简式为CH3CH2OH，相对分子质量为46。乙醇既是食品、化工、医药、染料、国防等工业十分重要的基础原料，又是可再生的清洁能源。乙醇作为重要的溶剂和化工原料而广泛应用于化学工业和医药卫生事业，它又是饮料酒工业的基础性原料，也是一种方便而较干净的液体（或固体）燃料。1.1.1物理性质乙醇是无色透明的液体，比水轻，具有特殊的芳香气和刺激味，吸湿性很强，可与水以任何比例混合并产生热量。乙醇易挥发易燃烧，燃烧时产生大量的热量，燃烧产物是水和二氧化碳。乙醇蒸汽与空气能形成爆炸性混合气体，爆炸极限为3.5%-18%（体积分数）乙醇的物理指标：熔点()：-114.1沸点()：78.3 相对密度(水=1)：0.79相对蒸气密度(空气=1)： 1.59 饱和蒸气压(kPa)：5.33(19)燃烧热(kJ/mol)：1365.5 蒸发热(kJ/L)：918.76 临界温度()：243.1临界压力(MPa)：6.38 辛醇/水分配系数的对数值：0.32闪点()：12 引燃温度()：363溶解性： 与水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多数有机溶剂。1.1.2化学性质1） 氧化作用下乙醇的变化2C2H5OH + O22CH3CHO + 2H2OC2H5OH + O2CH3COOH + H2OCHOH + O 2CO2+3H2O2） 碱金属，碱土金属与乙醇的作用 2Na + 2C2H5OH2C5H5ONa + H2Mg + 2C2H5OHC(C2H5O)2 Mg + H23） 酸与乙醇的反应 CH3COOH + C2H5OHCH3COOC2H5 + H2O4） 乙醇的脱水反应 CH3CH2OH CH2=CH2 + H2O 2CH3CH2OH C2H5OC2H5 + H2O1.1.3生化性乙醇能使细胞蛋白质凝固，尤以75%（体积分数）的乙醇作用最为强烈，浓度过高，细胞表面的蛋白质迅速凝固形成一层薄膜，阻止乙醇向内部渗透，作用效果反而降低，浓度过低则不能使蛋白质凝固1。因此常选用75%（体积分数）的乙醇作消毒剂乙醇易被人体肠胃吸收，吸收后迅速解放出热量。少量乙醇对大脑有兴奋作用，数量较大则有麻醉作用，大量乙醇对肝脏和神经系统有害作用。1.1.4质量标准乙醇作为一种原料性的产品，其产品质量必须达到一定的标准。通常，乙醇按含杂质多少分为：无水乙醇、试剂乙醇、食用乙醇，医药乙醇，工业乙醇。其食用乙醇国家标准如表1.1所示。表1.1 乙醇的质量指标表项 目特 级优 级普 通 级色度/号101010乙醇/（体积分数）96.095.595.0硫酸试验/号51060氧化时间/min403020醛/mg/L1330甲醇/mg/L250150正丙醇/mg/L235100异丁醇异戊醇/mg/L1230酸（以乙酸计）/mg/L71020酯（以乙酸乙酯计）/mg/L101825不挥发物/mg/L102025重金属（以Pb计）/mg/L111氰化物（以HCN计）/mg/L5551.2乙醇生产的意义及发展史1.2.1乙醇生产的意义乙醇是可再生能源,若采用小麦、玉米、稻谷壳、薯类、甘蔗、糖蜜等生物质发酵生产乙醇,其燃烧所排放的二氧化碳和作为原料的生物源生长所消耗的二氧化碳, 在数量上基本持平,这对减少大气污染及抑制温室效应意义重大。发展乙醇不仅可以促进农业的可持续发展，并且可以作为清洁能源代替汽油或汽油添加剂，减少工业大气污染，保护环境，同时也可缓解原油进口的压力。根据我国生物燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划，“十一五”期间，我国将生产600万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇500万吨，生物柴油100万吨；到2020年，生产2000万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇1500万吨。如果完全用玉米来生产，按照1：3.3比例计算，2010年对玉米的需求将达到1650万吨，2020年将达到4950万吨，加上其他工业消费对玉米需求的增长，未来我国玉米生产将难以满足燃料乙醇生产的工业化需求，完全使用玉米生产燃料乙醇在我国并不现实。随着陈化粮食逐步消耗殆尽和玉米价格节节攀升，考虑到玉米生物乙醇的发展可能威胁到国家的粮食安全，为此，2006年起国家停止新批玉米燃料乙醇企业，并大力鼓励发展非粮食作物为原料开发燃料乙醇。所以以非粮作物为原料生产乙醇有着广阔的市场前景，对解决日益紧迫的液体燃料短缺问题具有极其重要的意义。1.2.2乙醇生产的发展1）生产技术的现代化新中国成立前，我国乙醇工业的规模很小，生产工艺均为间歇式，以麦芽作淀粉糖化剂，原料不经粉碎，淀粉利用率只有60%左右。20世纪50年代中期开始进行技术革新，首先在糖化剂方商采用微生物糖化剂代替麦芽，1964年推行机械通风制曲，随后普遍应用液体曲，1978年开发出高活力糖化酶新菌种（UV-11）进入20世纪90年代后逐步使用具有国际水平的耐高温X-淀粉酶和高转化率糖化酶。在淀粉质原料的蒸煮、糖化工艺方面采用一级真空冷却连续糖化。在发酵方面，出现了应用耐高温酵母、酿酒用活性干酵母（或鲜酵母）及固定化酵母的新工艺。在蒸馏方面乙醇蒸馏的塔器配置从两塔、三塔/四塔、五塔发展到八塔蒸馏，近年来差压蒸馏等新技术正在生产中推广应用。50年来，我国的乙醇生产技术得到很大发展，淀粉利用率达90%以上，水平高的企业淀粉出酒率达5556%；发酵液乙醇浓度由5%提高到10%左右；每吨乙醇耗煤从过去普遍在2吨以上降到1吨以下（最低达500公斤）。进入90年代后，随着食用乙醇国家标准的制订和实施，我国乙醇工业的生产技术水平得到了普遍性的提高2） 建立了完善的乙醇产品质量标准，具有生产多种规格乙醇产品的实力20世纪50年代初期，我国乙醇产品无统一的质量标准。有的厂够度即算合格，有的厂参考外国标准自行规定一些检查项目，也有的厂按中华药典中医药乙醇的要求生产。1954年，哈尔滨、济南、天津等乙醇厂应军工的需要按原苏联的乙醇标准（roct5921-51）试制成功精馏酒精，并按此生产。1956年，原食品工业部参照原苏联乙醇标准及中华药典制订了精馏酒精（食酒0301-56）和医药酒精（食酒0302-56）的部颁标准。至此，我国乙醇工业有了全国统一的产品质量标准。现今，我国已经具备较完整的乙醇产品质量标准体系，并正在对食用乙醇国家标准（GB13043-89）组织进行修订，以使其进一步和国际先进水平接轨。不断提高并有着先进性的产品标准，有力促进了我国乙醇生产和质量水平的不断提高。现在大多数企业都能生产普级食用乙醇，相当一部分企业具有生产优级食用乙醇的实力，有多家企业进行着高纯度特级乙醇的生产。3）糟液治理与综合利用取得长足发展过去，糟液除略行简单过滤直接用作饲料外，基本上不予处理。随着生产的发展，对糟液的治理逐步引起重视，20世纪60年代用薯类乙醇糟液大规模进行沼气发酵取得成功，逐步推广并不断完善，现在最大的沼气发酵罐容已达5000立方米。针对沼气发酵后消化液的进一步处理，好氧法取得一定成效；近来南阳乙醇总厂开发出一套实用而有效的治理措施，采用物理化学法去除悬浮扬（制得部分干酒糟和肥料），利用生物法去除可溶性有机物（获得沼气），从而使薯类乙醇糟液的治理实现了经济上有利的达标排放2。1.3乙醇的应用领域乙醇的用途很广，主要有：1）消毒剂：医院用的一般用浓度为70%75%的乙醇溶液，因为这种浓度的乙醇溶液杀菌能力最强；此外也是碘酒消毒剂的成分之一。2）饮料：乙醇是酒主要成分（含量和酒的种类有关系）如白酒为56度的酒。3）基本有机化工原料：乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、涂料、洗涤剂等产品的原料。4）汽车燃料：乙醇可以调入汽油，作为车用燃料，美国销售乙醇汽油已有20年历史。此外乙醇还做：稀释剂、有机溶剂、涂料溶剂等几大方面，其中用量最大的是消毒剂。1.4主要生产工艺乙醇工业生产方法分为发酵法和合成法两大类。1.4.1合成法化学合成法是利用炼焦炭、裂解石油的废气为原料，经过化学合成反应而制成乙醇。目前工业上采用的合成法主要是乙烯直接水合法，即将乙烯在浸渍有磷酸的固体催化剂上进行水合反应。所得稀乙醇溶液需经过精馏提纯以除去部分水和副产物。此外还有乙烯间接水合法、乙醛加氢法、CO-H2合成乙醇等。1）乙烯直接水合发催化剂乙烯直接水合法就是乙烯和水在高温、加压、催化剂条件下直接加成得到乙醇的方法：230300，78MPaC2H4 + H2O C2H5OH2）乙烯间接水合法间接水合法生产乙醇的出现早于直接水合法。在1825年，就已经出现了乙烯在硫酸介质存在下，液相水合为乙醇的实验研究。经过一个世纪后乙烯用硫酸吸收再经水解制备乙醇的方法获得了工业化。乙醇间接水合法又称硫酸法，采用硫酸作催化剂，经过两步反应，由水与乙烯合成乙醇。第一步：乙烯与硫酸作用生成硫酸氢乙酯或硫酸二乙酯； CH2=CH2 + H2SO4 CH3CH2-OSO2OH 或 2CH2=CH2 + H2SO4 (CH3CHO)2SO2第二步：硫酸氢乙酯或硫酸二乙酯水解，生成乙醇，释放出硫酸： CH3CH2-OSO2OH + H2O CH3CH2OH + H2SO4或 (CH3CHO)2SO2 + 2H2O 2CH3CH2OH + H2SO4硫酸氢乙酯、硫酸二乙酯水解过程中伴随有副产物乙醚的生成。3）乙醛加氢法此法是将乙醛在160200，铜催化剂的存在下加氢制得乙醇，其他化学反应式如下：催化剂CH3CHO + H2 H3CH2OH乙烯氧化发生产乙醛又分为氧气法和空气法。氧气法是在120130，300kPa左右的压力下进行反应；空气法是在100105，压力11.2MPa下进行反应。利用氯化钯做催化剂，在盐酸溶液中使乙烯被空气或氧气直接氧化成乙醛.4）CO-H2合成乙醇一氧化碳和氢气混合气来源十分广泛，我国煤炭储量丰富，大力开发煤气化制备CO-H2混合气具有广泛的发展前景。2CO + H2C2H5OH + H2O3CO + H2C2H5OH + CO2由反应式可知。CO与H2的摩尔比应符合化学计量关系，CO:H2=1:2或1:1。因此实际生产中为使混合气的摩尔比恰好为1:2，可采用向欲转化的烃类中通CO2以调整转化后的产物中的分子比例。即：3CH4 + 2H2O + CO2 4CO + 8H2从热力学角度看，合成乙醇在较低的温度下进行比较适宜，但低温下反应速度太慢，为提高反应速度，应适当提高反应温度。然而随着温度的提高，副反应增多并加剧，而且无论从热力学和动力学角度来看，温度提高对副反应的生成较乙醇的生成更便利，因此为使反应向主反应方向进行，必须寻找一种选择性高、催化性好的催化剂，这是由CO-H2合成乙醇的关键。1.4.2发酵法发酵法采用各种含糖（双糖）、淀粉（多糖）、纤维素（多缩己糖）的农产品，农林业副产物及野生植物为原料，经过水解（即糖化）、发酵使双糖、多糖转化为单糖并进一步转化为乙醇。淀粉质在微生物作用下，水解为葡萄糖，再进一步发酵生成乙醇。发酵法制酒精生产过程包括原料预处理、蒸煮、糖化、发酵、蒸馏、废醪处理等。 1）淀粉质原料的发酵工艺 乙醇的发酵工艺分为间歇发酵、半连续发酵和连续发酵三种。间歇发酵 间歇发酵也称单罐发酵，发酵的全过程在一个发酵罐内完成。根据糖化醪的添加方式分为以下几种。一次加满法。该法是将糖化醪冷却到27-30后，送入已经清洗、灭菌的发酵罐中，一次加满，同时加入10%的酒母醪，经60-72h发酵即得到成熟发酵醪。该法具有操作简单，易于管理的优点。但存在初始酵母密度低，发酵除患期延长，初始生长和发酵速度低的缺点。分次添加法。此法操作时，糖化醪分几批加入发酵罐。一般先打入发酵罐容积约1/3糖化醪，直至加入8%-10%的酒母醪，每隔3-6h左右，加入第二和第三1/3的糖化醪，直至加满容积的90%以上为止。该法的优点是：发酵旺盛，延缓期短，有利于抑制杂菌繁殖。采用这种方法最好使酵母增殖发酵、糖耗同步，然后及时补充糖化醪。间隔时间不要太短，否则会影响酵母的增殖间隔时间也不易过长否则可能造成原料发酵不彻底，成熟醪残糖过高。连续添加法。即使酒母醪打入发酵罐中，同时连续添加糖化醪。糖化醪流加速度应根据工厂生产量来定，一般应控制在6-8h内加满几个发酵罐。流加过慢，会延长满灌时间，还可能造成发酵物质的损失。流加过快，则会造成发酵醪中酵母密度小，对杂菌无抑制，可能造成染菌。分割主发酵醪法。该法是将处于旺盛主发酵阶段的发酵醪分割出1/3-1/2到第二罐，然后两罐同时补加新鲜糖化醪至满罐，继续发酵。放第二罐又处于主发酵阶段时，再次进行分割。该法的前提是发酵醪基本不染菌。它具有节省酵母用量，接种量大，发酵时间短的优点，但易染杂菌，一般不主张采用3。半连续发酵 半连续发酵时主发酵阶段采用连续发酵，后发酵阶段采用间歇发酵的方法。更具糖化醪流加方式的不同，半连续发酵又分为以下两种方法。第一种方法是将一组发酵罐连接起来，使前几只发酵罐始终保持主发酵状态。从第三只发酵罐流出的发酵液分别顺次加满其他发酵罐，完成后发酵。应用该方法可节省大量酒母，缩短发酵时间，但必须注意消毒杀菌，防止杂菌污染。第二种方法是将7-8只发酵罐组成一个罐组，每只发酵之间溢流管连接。生产时，先制备发酵罐提交1/3的酒母，加入第1只发酵罐内，并在保持主发酵状态的前提下流加糖化醪。满罐后，通过溢流管流入第2只罐，当充满1/3体积时，糖化醪改为流加入第2罐，当第2罐加满后，溢流入第3只罐，然后重复第2只罐的操作，直至最后1只罐满罐。最后，从罐至末罐逐个顺次将成熟发酵罐送去蒸馏4。该法可以节省大量酒母，发酵时间缩短，但每次新发酵周期开始时要制备新的酒母。连续发酵 间歇发酵过程中，发酵罐中的培养液始终不断更新，因此，发酵过程中的各个参数，如糖浓度、乙醇浓度、菌体数、pH等会不断发生变化，酵母菌受到环境变化的影响较大，不能始终保持最高的发酵状态。另外，间歇发酵过程的辅助时间较长，设备利用率也较低，且控制不易全部自动化。如果采用连续发酵的方法，就能很好地解决上述问题。连续发酵可分为全混连续发酵和阶梯式连续发酵两类：全混连续发酵是微生物在一个设备中进行的，液体培养基混合搅拌良好，以保证整个罐的均一性。根据控制的方法又可分为化学控制器法（恒化器法）和浊度控制器法（恒浊器法）两类。阶梯式连续发酵是乙醇发酵较常采用的发酵形式。发酵过程是在同一组罐内进行的，每个罐本身参数基本不变，但罐和罐之间按一定规律形成一个梯度。从首罐至末罐，可发酵物浓度逐罐递减，乙醇浓度逐罐增加。发酵时，糖化醪连续从首罐加入，成熟发酵醪连续从末罐流出5。几种常见具体工艺如下。循环发酵。该发酵罐组由6-8只罐组成，每个罐之间用溢流管数次自上而下连续。糖化醪进料通往大酒母罐和发酵罐组的第一和最末两只发酵罐。发酵开始时，糖化醪和成熟酒母醪同时流入罐组的第1只罐，充满后，发酵醪沿溢流管流入第2只罐，然后顺次流入充满至最后第2只罐。大概需时60h左右，然后不再流加醪液，各自进行间歇后发酵。这是糖化醪和酒母醪开始流入最后一个发酵罐，当这只罐充满时，原来的最后第2罐已经发酵结束，并已防空清洗杀菌完毕，发酵醪由溢流管流入，发酵的第2各循环沿反方向开始进行。顺式连续发酵法。该法发酵开始时，酒母醪和糖化醪一起流入第1只发酵罐中，充满后，发酵醪沿溢流管依次流入第2、第3、直至充满整个罐组。成熟发酵醪从最后一只发酵罐中流出，送去蒸馏。如此操作连续不断。2）糖蜜原料的发酵工艺糖蜜乙醇发酵的机理和营养要求与淀粉质原料乙醇发酵完全相同。但糖蜜乙醇发酵也有自己特有的特点。这里主要介绍糖蜜发酵的工艺。蜜糖乙醇发酵的方法很多，也可以非为间歇发酵、半连续发酵和联系发酵。间歇发酵 又分为一下几种操作方式。普通间歇发酵。发酵罐空罐清洗后用蒸汽杀菌100保温0.5-1h，冷却至30后，接入培养成熟的酒母醪液，并补入温度为27-30的发酵糖液进行发酵。发酵温度控制在33-35的发酵。发酵时间一般为32-36h，通常40-50h即可送去蒸馏，成熟醪酒度为6.5%-7%（体积分数），发酵效率达86%-87%6。分割式间歇发酵。该法是第1只发酵罐按间歇发酵进行至主发酵阶段，从该罐分割1/3-1/2发酵醪至第2罐中，用稀糖液加满两罐，第1至继续发酵直至终了，送去精馏。第2罐进入主发酵阶段后，再分割1/3-1/2至第3罐，再用稀糖液加满两罐，如此继续下去。稀糖液浓度一般为18%-20%，发酵温度为33-35，发酵时间30-36h，成熟醪酒度6%-7%。该法可省去大部分发酵制备时间，但容易染菌。为此，除了认真进行糖蜜酸化（pH4.0）和添加五氯苯酚钠外，每天还应更换一次新鲜菌种。分批流加间歇发酵。该法是在发酵罐内加入10%-20%的酒母后，分3次加入基本稀糖液，第一、二次加入罐容积约20%的今本稀糖液，第三次加入40%-50%的基本稀糖液，以后保持罐内醪液糖浓度一致，有利于酵母的发酵。当糖度降到5.5%-6%时，才开始添加基本稀糖液，最后一次糖液的添加应保证成熟醪酒度8.5%-9%。发酵温度控制在30-35发酵时间36-48h。连续流加间歇发酵法。连续流加发酵的特点在于基本稀糖液是按一定速度连续加入发酵罐中，直至罐满。该法先将发酵醪总量20%-30%的成熟酒母醪送入发酵罐。然后加入数量相同的酒母稀糖液（14%浓度）。通风培养2h，是发酵醪浓度降至7.0%-7.5%。开始连续流加浓度为33%-35%的基本稀糖液，保持发酵醪的浓度在10%左右。流加至满罐后，任其发酵结束。发酵温度控制在33-34，总发酵时间在16-20h，发酵醪乙醇含量在9%（体积分数）以上。半连续发酵 半连续发酵是主发酵采用连续发酵，后发酵采用间歇发酵的发酵方式。具体的方法与淀粉质原料发酵半连续发酵相同。连续发酵 糖蜜连续发酵乙醇的工艺已比较成熟，也是目前最合理的发酵工艺，已报道的连续发酵工艺的方案很多，归纳起来有两种基本流程，即：单浓度流加连续发酵法和双浓度流加连续发酵法。单浓度单流加连续发酵法。该法是只用一种浓度的糖液进行单流加以实现连续发酵的流程。该流程以稀糖液与成熟酵母同时进入第1只发酵罐内，酵母繁殖和稀糖液同时进行，产生含足够量的酵母细胞的发酵醪，并且连续加入稀糖液，发酵罐满罐后依次进入下一罐连续发酵直至发酵成熟。双浓度双流加连续发酵法。该法是使用两种不同的糖液，即酒母稀糖液和发酵稀糖液（基本稀糖液）进行双流加以实现连续发酵流程。一般对质量好、纯度高的糖蜜采用单浓度单流加连续发酵与双浓度双流加发酵法均可，单对纯度低、质量差的糖蜜不宜采用单浓度单流加发酵法而应当采用双浓度双流加连续发酵法。双浓度双流加连续发酵法中，低浓度糖液（酒母糖液）与高浓度糖液（发酵糖液）流加液比通常为1:1，而六角糖比例为优质糖蜜4:6，劣质糖蜜3:75。3）纤维质原料的发酵工艺纤维质原料的乙醇发酵工艺根据原料处理方法的不同可分为酸水解乙醇发酵工艺和酶水解发酵工艺。酸水解乙醇发酵工艺浓酸水解工艺流程。浓酸水解工艺流程如图1.1使用浓度为70%左右硫酸，在100温度条件下处理木质纤维素，破坏纤维素之间的晶型结构，使其水解为流动的不定形物质，这一过程也成为纤维素的溶解和去结晶。纤维素成为不定形位置后，加水将酸的浓度稀释到20%30%，并在100温度下维持约1h，使半纤维素部分水解，固液分离后得到残渣和水解物，残渣可以二次加酸，是纤维素最大限度降解。再次进行固液分离。最后得到残渣主要成分是难简介的木质素，木质素可以进一步利用。固液分离得到的水解产物在发酵前必须进行糖酸分离，分离得到的稀酸可以进入蒸发系统浓缩后循环使用，得到的糖液中进入发酵阶段7。图1.1 纤维素浓酸水解工艺流程稀酸连续渗滤水解工艺流程。该流程用固体生物质原料填充在反应器中酸液连续通过的反应工式。前苏联的水解工艺主要采用这种形式。它的主要优点有：生成的糖可即使排出，减少糖的分解；可在较低的液固比下操作，提高所得糖的浓度；液体通过分离器内的过滤管流出，液固分离自然完成，不必用其他液固分离设备，反应器容易控制。工艺流程：木材经粉碎后，由带式输送器填入水解器中，水解后剩下的木质素通过排渣器排出器外。水解用酸从储罐经计算器用往复泵送人水解器。水解液从水解反应器流出后，接连通过高压蒸发器和低压蒸发器，在高压蒸发器中水解液175-180降至140-150。在低压蒸发器中进一步降到105-110，水解液最后送往中和器。稀酸二级水解工艺流程。该工艺流程中，纤维质原料共进行两次水解。原料经粉碎后和酸浸泡后进入第一级水解反应器，反应器的温度升到190，用0.7%的硫酸水解，停留时间3min，可把约20%的纤维素和80%的反纤维素水解。离开以及反应器的水解液经液固分离后，糖液进入pH调节器。固形物经螺旋压榨器脱水后进入二级水解器中，治理温度升到220，用1.6%的硫酸水解，停留时间为3min，可把剩余的纤维素水解为葡萄糖。水解液混合后，经酸碱中和，可进入发酵阶段。酶水解乙醇发酵工艺 纤维素水解乙醇生产工艺可分为非同步水解与发酵工艺和同步水解与发酵工艺两类。分别简单介绍如下。非同步水解与发酵工艺（Separate hydrolysis and fermentation ,SHF）。本工艺特点是纤维素水解和水解液乙醇发酵是分别在不同容器内单独进行的8。早期的纤维质原料都是采用这种工艺。工艺流程如图1.2所示图1.2 稀酸二级水解工艺流程同步水解与发酵工艺(Simulataneous saccharification and fermentation,SSF)。随着对纤维素酶水解机理的不断认识，20世纪70年代，人们提出了SSF水解工艺。该工艺可以解决葡萄糖的反馈抑制作用，如果选用适当的酵母，纤维二糖也能够利用。因此该工艺可以提高水解速度，糖的产量和乙醇得率也将增加。目前，SSF已成为很有前途的生物质制乙醇的工艺。工艺流程如图1.3所示图1.3 纤维质原料同步水解与发酵工艺在一般的SSF工艺中，预处理生产富含五碳糖的液体是单独发酵的。随着能同时发酵葡萄糖和木糖的新型微生物的开发和应用，又发展了同步水解发酵工艺（Simultaneous saccharification and co-fermentation,SSCF）。该工艺中预处理得到的糖液和处理过的纤维素放在同一个反应器中处理，进一步简化了流程9。2 乙醇发酵工艺本设计选用淀粉质原料发酵乙醇。淀粉质原料包括薯类原料（甘薯、马铃薯、木薯、等）。目前，国内主要使用的原料有甘薯、木薯、小麦、玉米和高粱。最初，我国的乙醇生产主要用玉米、小麦等粮食发酵制得，其中主要以玉米为主。随着陈化粮食逐步消耗殆尽和玉米价格节节攀升，考虑到玉米生物乙醇的发展可能威胁到国家的粮食安全，为此，2006年起国家停止新批玉米燃料乙醇企业，并大力鼓励发展非粮食作物为原料开发燃料乙醇。从2006年至今，在保证现有的粮食乙醇生产的基础上，我国燃料乙醇生产企业的发展主要是两个方向：一是木薯乙醇；二是纤维素乙醇。两者都属于非粮食作物，其中，木薯乙醇已处于规模化生产阶段，技术发展已相对完善；而纤维素乙醇在我国还处在试验阶段，技术还有待完善。木薯是热带和亚热带广泛种植的粮食和经济作物，适应性很强，耐旱、耐瘠、耐水，对土质要求不高，是可在任何土质中生长的作物。我国南方盛产木薯，不仅产量高，淀粉含量也很高，木薯的块根淀粉含量达25-30左右，木薯干淀粉含量达70左右，是被誉为“淀粉之王”11。木薯已被世界公认具有很大发展潜力、很有前途的酒精生产的可再生资源。近年来，随着木薯原料用于生产酒精逐渐受到人们的重视，国内外学者都致力于木薯生产酒精工艺的研究。本设计选用木薯为原料发酵制的乙醇，总工艺流程为：原料粉碎拌料蒸煮糖化发酵蒸馏乙醇2.1木薯的处理木薯原料在进行正式生产之前，必须预处理，以保证生产的正常进行和提高生产的效益，预处理包括除杂和粉碎两个工序。2.1.1原料除杂木薯在收获和干燥过程中，经常会掺夹进泥土、沙石、粗纤维、金属杂质等杂质，这些杂质如果没有在正式投入生产之前清除，会严重影响后续生产的正常进行。石块和金属杂质会使粉碎机的筛板磨损或者损坏，造成生产的中断；机械设备运转部位，会因泥沙的存在而加速磨损，杂物还易造成堵塞阀门、管道、泵和关键设备，使生产过程不能正常进行，泥沙等杂质也会影响正常的发酵过程。所以用木薯原料生产酒精前，必需进行除杂，以保证生产的正常进行和提高生产的效益。原料除杂通常采用筛选和磁选。筛选多选用振动筛除去原料中的较大杂质及泥沙。振动筛是一种平面筛，常用的有两种：一种是由金属丝（或其他丝线）编织而成的；另一种是冲孔的金属板。开孔率越大，筛选效率越高，但开孔率过大会影响筛子的强度12。本设计选用冲孔的金属板，筛板开孔率为50%，筛宽1000mm，振幅5mm，频率400次/min其生产能力B0筛面有效宽度，m；H筛面物料厚度，m，取（为物料最大直径）；物料沿筛面运动的平均速度，m/s，取0.4m/s；物料松散系数，取0.5；物料的密度，kg/m3。磁选多选用磁力除铁器除去原物料中的磁选杂质，如铁定和螺母等，常见设备为永久性磁力除铁器和电磁除铁器9。2.1.2原料粉碎淀粉质原料的淀粉颗粒常以颗粒状态储存于细胞之中，由于受到植物组织的细胞壁的保护不宜被直接利用13。所以原料粉碎是原料处理的关键步骤之一。木薯原料粉碎可以使原料的颗粒变小，原料的细胞组织部分破坏，淀粉颗粒部分外泄，增加原料的表面积，在进行水热处理时，加快原料吸水速度，降低水热处理温度，节约水热处理蒸汽；有利于-淀粉酶与原料中淀粉分子的充分接触，促使其水解彻底，速度加快，提高淀粉的转化率；有利于物料在生产过程中的输送。原料的粉碎按带水与否可分为：干式粉碎和湿式粉碎，实际生产中多采用干式粉碎。国内乙醇生产原料粉碎设备主要是锤片式粉碎机，合理的干式粉碎应采用粗碎和细碎两级粉碎工艺，在进入锤碎机前先经过粗碎，把大块原料初步打碎成小块原料，再经过锤碎机，将小块原料打碎成较细的粉末原料。湿式粉碎是指粉碎时将拌粉用水和原料一起加到粉碎机中去进行粉碎。本设计采用200型CSJ-高效粗碎机，其主要适用于医药、食品、化工、冶金、建筑等行业，对坚硬、难粉碎的物料进行加工，包括对塑料、树根等进行粉碎，也能作为微粉碎加工前道工序的配套设备。不受物料粘度、硬度、软度等的限制。对任何物料都能起到较好的粉碎效果。其工作原理：本机为卧式粉碎结构，物料有进料斗进入粉碎室，利用旋转刀与固定刀冲击、剪切而获得粉碎，经旋转离心力的作用，物料自动流向出口处，该机按“GMP”标准设计，整机全部采用不锈钢材料制造，结构简单、清洗方便、噪音低。其生产能力为3001000kg/h，粒度100mm，粉碎细度0.520mm，主轴转速为400r/min，电机功率5.5kw，外形尺寸（长宽高）88090012502.1.3原料输送原料输送常用方法是机械输送、气流输送。1）机械输送 通常多用于固体物料的输送。常用的输送机械有皮带输送器、螺旋输送器和斗式提升机。前两种多用于水平方向输送，后者多用于垂直方向输送。2）气流输送 也称风送或气力输送。本设计中原料粉碎采用风选风送工艺，除掉了原料中的沙、石杂质，提高了设备粉碎能力。2.2液化和糖化用于乙醇生产的酵母，不能直接利用淀粉进行乙醇发酵，淀粉必须水解成糖类利用。此外，淀粉因受到植物细胞壁的保护作用，细胞内的淀粉颗粒不易受到淀粉酶系统的作用，同时糖化酶对不溶解状态淀粉的糖化作用又非常弱，所以，淀粉原料在经过前述的与处理后，需要进一步液化和糖化后，才能使淀粉从细胞中游离并转化成糖类，以保证乙醇发酵的顺利进行。2.2.1液化木薯淀粉中含直链淀粉17，支链淀粉83 ，淀粉浆的液化是将淀粉链打断，淀粉的网状结构被破坏，从而使淀粉浆的粘度降低，使淀粉水解为糖和糊精11。传统的液化工艺采用高温高压蒸煮法。原料和水混均后，于130下进行高温高压处理。随着酶工程的发展，传统的高压高温蒸煮逐渐被取代，液化可分为有蒸煮方式和无蒸煮方式，现在的有蒸煮液化方式与传统的高温高压蒸煮液化方式有着本质的不同，它是建立在酶制剂技术上的一种液化方式。液化过程中广泛使用液化酶(-淀粉酶)对原料进行液化处理。-淀粉酶可将淀粉长链从内部分裂成若干短链的糊精，所以，也称内切淀粉酶。-淀粉酶水解直链淀粉分子，最后阶段的产物为葡萄糖、麦芽糖和麦芽三糖；水解支链淀粉分子，最后阶段的产物为葡萄糖、麦芽糖和少量的界限糊精。淀粉受到-淀粉酶作用后，遇碘呈色反应，表现为如下规律。蓝 紫 红 浅红 不显色（碘原色）淀粉液化是糖化的前提。工业生产中一般根据使用-淀粉酶的不同，液化的工艺条件会略有不同。使用耐高温-淀粉酶，采用95的处理温度，使用普通-淀粉酶，采用85的处理温度。采用高温液化可以提高酶反应速度，但温度高于酶的最适作用温度时，酶活力损失加快。此外，生产中有时也添加CaCl2或CaSO4，Ca2+的存在有助于提高酶对热的稳定性，一般Ca2+浓度控制在0.01mol/L左右。-淀粉酶的用量一般为每克淀粉使用210U，含单宁多的原料用量可适当增大。液化时间，一般控制在4590min，薯类淀粉较谷类淀粉更容易水解些。淀粉液化不需要进行的非常的彻底，一般控制淀粉水解程度在葡萄糖值为1020之间较好，液化的终点常以碘液显色控制。喷射液化是目前使用最广泛的液化工艺，它是利用低压蒸汽喷射器来完成淀粉的液化。淀粉在-淀粉酶的水解作用和喷射发生地剪切作用下，能很快地将淀粉液化。喷射液化连续液化、操作稳定、液化均匀、淀粉利用率高等优点，此外对蒸汽压力要求低，且不易堵塞，无震动。其流程如图2.1所示：图2.1 喷射液化流程图本设计选用罐式连续蒸煮工艺蒸煮过程使用直接蒸汽加热，在后熟和汽液分离器减压蒸发、冷却降温。2.2.2糖化经过液化后的淀粉继续进行糖化，将短的淀粉链即糊精转化为可发酵性糖，糖化分前糖化阶段和后糖化阶段，因为糖化过程的时间限制，不可能将全部的淀粉转化为糖，所以在发酵过程中还存在糖化过程，称为后糖化11。糖化是一个复杂的生物化学变化过程，受糖化酶添加量、时间、温度等多种因素的影响。糖化酶在木薯酒精发酵中有很大的作用，它将木薯中的淀粉分解成可发酵性糖，以利于酵母酒精发酵。糖化酶的用量对酒精发酵有很大的影响，糖化酶的用量太少，会造成发酵不彻底；糖化酶太多，则增加了生产成本。糖化的效果不仅取决于糖化酶的添加量，而且与糖化时间有很大的关系，糖化时间不足，造成糖化不完全，不利于提高原料出酒率；糖化时间过长，会延长生产周期,降低设备的利用率。糖化的温度的高低对糖化也有一定的影响。酶的化学本质是蛋白质，反应温度高于适宜温度时，酶蛋白会逐渐产生变性而作用减弱，甚至丧失其催化活性，温度过低于适宜温度容易染菌，所以糖化温度的控制是非常重要的。从历年来，木薯酒精发酵的研究资料来看，糖化酶添加量一般控制在100-200u/g原料，糖化阶段的温度在58-62，糖化酶最适pH为4.25.0，乙醇生产过程，糖化醪的自然pH与最适pH相近，不需要调整pH。糖化时间控制在30-60min14。糖化的方式可分为间歇糖化和连续糖化。本设计采用连续糖化工艺，实现了生产操作的连续性，即降低了蒸汽消耗，又降低了工人的劳动强度。2.3乙醇发酵原料经过预处理、蒸煮、糖化等处理后，即可进入发酵工序，把糖转化为乙醇和二氧化碳。从表面上看，乙醇发酵过程很简单，氮发酵过程却发生着非常复杂的生物化学反应过程。此在，不同种类的微生物对营养需求的不同，处理后原料所含成分的差异，以及发酵工艺的多样性都决定了乙醇发酵是一个复杂的过程。2.3.1乙醇发酵常用的微生物自然界中，很多微生物都能代谢产生乙醇，氮酿酒酵母等酵母菌和兼性厌氧细菌运动发酵单细胞是目前乙醇生产的主要微生物。此外，根据不同的代谢途径构建的基因工程菌也是显示了良好的特性。下面介绍淀粉质原料发酵常用菌种。1) 酵母 淀粉质原料发酵最常用的菌种是酵母，酵母属于真菌中的子囊菌纲、源自囊菌目、真酵母科、无丝酵母属，是单细胞微生物。酵母一般呈卵形、椭圆形或卵圆形，大小在611m之间。乙醇生产中常用的酵母菌种有酿酒母、卡尔斯伯酵母、粟酒裂殖酵母和克鲁夫衣酵母及其变种等。活性干酵母（AADY）活性干酵母是经优选的乙醇酵母繁殖得到菌体后再经干燥得到的一种保持活性的干酵母制品，它经复水活化后即能完全恢复其正常的繁殖、发酵性能15。它主要有一下优点：可节省酒母培养的投资，简化生产环节，提高劳动生产率；活性干酵母质量稳定，活化操作简单，能保证发酵的稳定性；活性干酵母种类多，具有较强的实用性；能有效提高发酵率，降低生产成本；干酵母含水分低，储存方便，能随时投入使用。自絮凝酵母 通过原生质融合技术可以使酵母获得自絮凝的特征，在培养和发酵过程中自絮凝形成毫米级大小的颗粒。自絮凝酵母乙醇技术的推广应用给乙醇工艺技术带来了重大突破。与现有各种乙醇发酵技术相比，自絮凝颗粒酵母乙醇发酵新工艺具有的突出优点有：酵母细胞在发酵罐中实现完全固定化，这一无载体固定化细胞技术不产生任何附件费用；单位体积发酵罐中酵母密度可以高达50100g/L（干重），细胞密度显著提高。平均发酵时间缩短，发酵罐设备生产强度相应提高；原料的前处理及酵母细胞的完全固定化，使进入后续精馏系统的发酵液比较清洁，基本不含颗粒酵母，精馏过程生产的废糟液COD降低，有利于实现清洁生产。对于目前乙醇生产行业普遍才有的干法工艺来说，需要考虑原料残渣去除带来淀粉损失的影响，而对于湿法工艺建设的大型燃料乙醇装置，则比较容易实现。酵母工程菌 利用基因工程技术，可以赋予酵母新的特性。对于淀粉份额之原料用酵母，目前主要要就多集中在在酿酒加盟中表达淀粉酶基因，包括-淀粉酶基因和糖化酶基因。常用的酿酒酵母一般缺乏水解淀粉的酶类，不能直接利用淀粉质原料，如果能够表达淀粉酶基因，则酵母就有可能直接利用淀粉质原料进行发酵。人们把细菌或霉菌中产生淀粉酶的基因片段克隆到酵母汇总，构建了不同种类的酵母工程菌。虽然构建分解淀粉酿酒酵母的工作已取得相当大的进展，但仍存在不少问题寻要解决，如构建的多数菌株利用糊精及淀粉的能力是有限的，而且讲解速率较慢等。2) 运动发酵单胞菌 运动单胞菌最早是Linder于1942从龙舌兰酒中分离得到的。为革兰阴性、厌氧细菌，单胞菌能够耐一定的氧气。其通过ED途径，专一代谢葡萄糖、果糖、蔗糖作为碳源和能源。利用葡萄糖和果糖时。能够得到近似理论产量的乙醇。该菌具有高耐糖能力、高耐乙醇能力、低生物量和高乙醇回收率以及发酵速度快等优点。单它的缺点时碳源利用面窄，仅限于葡萄糖、果糖和蔗糖。所以，当以淀粉质原料发酵制乙醇时需要对原料进行处理转化为可被利用的糖类。将运动单胞菌与其他微生物如黑曲霉共固定化，可以解决碳源利用面窄的问题。本文选择活性干酵母为发酵乙醇。目前，活性干酵母已经广泛用于乙醇企业中。经多年的推广，国内不少企业已经成功的将活性干酵母应用于乙醇生产，实现了提高酒分、降低消耗等目标。2.3.2酵母生长条件酵母的生长受到温度、pH和培养基组成等因素的影响1)温度 温度对酵母的生长影响。酵母正常的生活和繁殖温度是2930。在很高或很低的温度下，酵母的生命活动会削弱或停止。酵母生长的最高温度是38，最低位-5；在50时酵母死亡。温度不同，酵母的世代时间也显著不同，如表2.1所示。表2.1 乙醇酵母在不同温度下的世代时间温度/8101828333639乙醇酵母世代时间/h42.011.03.21.61.42.04.0酵母生长的最适温度和最适的发酵温度不同。生产实践中，酵母的最适生长温度控制在2830，最适发酵温度控制在3033。此外，在较高的温度下，野生酵母和细菌的繁殖速度要比乙醇酵母快，会导致发酵醪酸度增加，降低乙醇产率16。2)pH 发酵醪的pH和氧化还原电位有关，而氧化还原电位有与酵母的呼吸有直接联系。乙醇酵母可在pH4.06.0环境中进行繁殖，如果醪液的pH低于3，则酵母的活力大减。酵母生长的最适pH为4.85.0，当pH降到4.2以下时，酵母仍能继续繁殖，但此时，乳酸菌已停止生长。酒母的这种耐酸性常用来清除污染醪中的细菌，即采用加酸调节醪液pH至3.84，并保持一段时间酵母能继续生长并最终占据优势，而细菌污染可被消除。正常的糖化醪的pH为5.05.5左右，适宜于酵母菌的繁殖和发酵。