发酵工艺—课程设计

1、发酵工艺课程设计 2013年12月5日目录1. 设计目的12. 设计原理22.1 国内乙醇生产工艺的发展概况22.2 玉米秸秆和玉米淀粉混合原料的乙醇发酵的提出33. 实验方法33.1 实验材料33.2 培养基33.3 仪器43.4菌株发酵及保藏43.5混合原料发酵生产燃料乙醇54. 实验预期结果64.1玉米秸秆与玉米淀粉配比的确定64.2 料液比的确定74.3 硫酸浓度对玉米秸秆水解的确定74.4 纤维素酶用量的确定85. 燃料乙醇的工艺流程设计85.1 流程概况95.2 溶氧条件的控制95.3 ph条件的控制105.4 温度的控制10 1. 设计目的燃料乙醇是一种重要的生物质能源，由于其清

2、洁、可再生等诸多优势受到了越来越多的关注，已经成为国内外能源领域的研究热点，并有望成为“后石油时代”中新能源的主力军。然而,燃料乙醇的产业化依然面临许多挑战。目前，工业生产燃料乙醇主要使用粮食淀粉（玉米、小麦等）、甘蔗以及其它富含糖类的原料，处于“与人争粮”的窘境之中,从长远角度来看难以实现可持续的发展。在备选的生产原料中，木质纤维素不但来源广泛，而且其生产燃料乙醇的过程本身可有效地缓解环境污染，从而倍受全球能源研究领域的关注。在我国，玉米秸秆纤维素原料的来源非常丰富，通过纤维素酶催化生产燃料乙醇的研究具有广阔的应用前景。本文设计针对目前木质纤维素生产燃料乙醇过程中存在的生产成本过高以及纤维素

3、原料到燃料乙醇的转化率较低等问题，对玉米秸秆生产燃料乙醇的工艺流程进行选择优化，在利用玉米秸秆生产燃料乙醇的同时，充分考虑其它副产物资源的利用，并对此生产过程进行了技术经济分析；此后，在原料成分分析的基础上，进一步探讨了木质纤维素原料玉米秸秆及玉米芯与玉米淀粉混合作为原料的新型发酵工艺，并分别对其进行了初步的实验优化和技术经济分析，以期为木质纤维素燃料乙醇工艺提供科学指导与技术支撑。2. 设计原理2.1 国内乙醇生产工艺的发展概况目前，木质纤维素类生产燃料乙醇的步骤主要包括原料预处理、纤维素水解、乙醇的发酵及分离等单元操作，木质纤维素预处理方法主要包括物理法、化学法、生物法和综合法等。其中使用

4、稀酸进行化学水解是研究最多且使用最为广泛的方法之一，在经济和技术上都有较好的可行性。以淀粉和纤维素为原料生产燃料乙醇的工艺存在一定的区别，在前者工艺中，淀粉原料经粉碎、蒸煮、液化、糖化，再发酵、蒸馏、精馏、脱水，制得无水乙醇，木质纤维素乙醇的生产主要包括原材料的预处理、酶法糖化、发酵和乙醇的分离纯化等工艺过程。如果能将这两种原料混合使用，如玉米秸秆经预处理酶解后再加入些玉米淀粉糖浆，这样就能节省淀粉质原料前处理过程中外加的水，提高纤维素原料的糖浓度，继而提高发酵液中乙醇浓度，降低蒸馏的能耗。种玉米播种，灌溉玉米杆收集收获施肥，除草运输乙醇和汽油混合使用缩水，变性发酵副产品预处理蒸馏，精馏酶解乙

5、醇分配与销售图1 木质纤维素燃料乙醇的生命周期2.2 玉米秸秆和玉米淀粉混合原料的乙醇发酵的提出探索了以玉米秸秆和淀粉糖浆混合物为原料进行发酵产乙醇的可行性。对玉米秸秆中木质纤维素的含量进行了测定，并优化了玉米秸秆的预处理工艺。此后，通过实验比较了以玉米淀粉、玉米秸秆以及两者混合物为原料的发酵工艺。结果表明，混合原料发酵的乙醇产量高达66.4 g/l，远高于其它两条工艺路线，因此以玉米淀粉糖浆和玉米秸秆混合物为原料发酵产乙醇的第1.5代燃料乙醇的关键过程是可行的。在此基础上，对上述三种工艺路线进行了单位生产成本估算，其中玉米秸秆和混合原料发酵的工艺成本比较接近，表明以混合原料取代玉米淀粉发酵，

6、从而在一定限度内避免“与人争粮”的窘境是完全可行的。3. 实验方法3.1 实验材料（1） 菌株及木质纤维素原料：玉米杆，酿酒酵母，玉米淀粉糖浆（2） 水解酶：纤维素水解酶（3） 主要试剂：硫酸，氨水，葡萄糖，酵母粉，石油醚，氢氧化钠，无水乙醇，3,5-二硝基水杨酸，蛋白胨，酒石酸钾钠，正丁醇，苯酚，酵母粉，色谱纯乙腈，盐酸。3.2 培养基（1）种子培养基ypd种于培养基成分为葡萄糖30 g/l、酵母粉4g/l、蛋白胨4g/l，115灭菌15min,用于种子液培养。（2）摇瓶发酵培养基玉米秸秆与稀酸溶液料液比1:10，硫酸浓度1%，浸泡24h，置于高温蒸汽灭菌锅中，130水解90 min，调节p

7、h至一定值后直接做为发酵培养基。玉米秸秆水解液中添加酵母浸粉和蛋白胨各3 g/l作为摇瓶发酵培养基。3.3 仪器手提式高速中药粉碎机，电热恒温干燥箱，lg16-w台式高速离心机，and电子天平(180g/0.0001)，ja1003电子天平，ss-325全自动动高压灭菌锅，电动搅拌器，milli-q型超纯水仪，hh-s型水浴锅，旋转蒸发仪rd-52，xh-c游祸混匀器，hzq-f160型全温振荡培养箱，tgl-16b型台式离心机，水浴摇床，721分光光度计，shz-d (iii)型循环水式真空泵，dlsb-5/25型低温冷却液体循环机，sba-50型葡萄糖分析仪。3.4菌株发酵及保藏（1）菌种

8、的培养斜面培养：将斜面培养基在115灭菌锅中灭菌15 min后，放于无菌室中自然冷却到室温后进行划线接种，然后放于30恒温培养箱中培养36 h左右，取出放于-4冰箱内冷藏保存备用。（2） 菌株的活化取出斜面保存的菌种，用接种环转接入100ml的种子培养基中,，放于摇床中在30，转速为150 r/min的条件下培养16-20 h，再取其中1ml转入新鲜培养基，同样条件下培养约18 h左右，使od600=32-35。用接种环挑取冷藏斜面保存的菌株接入装有100 ml种子培养基的250 ml摇瓶中，在30，转速为150 r/min的摇床中培养18h左右，使od600约为30。(3)种子培养条件从斜面

9、上用接种环挑取一定量的菌体转接入ypd液体培养基中，装液量为100 ml/250 ml三角瓶，30，150 rpm条件下培养16-20 h。(4)发酵培养条件将种子培养液按10%的接种量接入装有100 ml发酵培养基的250 ml三角瓶中，于30，150 r/min条件下摇床培养48 h。（5） 菌种保藏将菌株接入ypd液体培养基中活化16-20h，取1ml的培养液进行一定比例的稀释，然后在ypd固体培养基平板上进行涂布分离。培养后用接种环挑取单个菌落接入100 ml，ypd液体培养基中，30条件下培养到对数生长后期。取等量的30%的火菌甘油和培养好的菌悬液进行混合，然后分装到离心管中,最后将

10、离心管冷冻于-80下的低温冰箱内保存。用此方法保藏菌种时间一般为半年左右。3.5混合原料发酵生产燃料乙醇（1）玉米秸秆与玉米淀粉配比的探究玉米基原料的预处理和酶水解：称取粉碎过筛后的玉米秸秆原料10 g，分别按1:10 (w/v)的料液比加入1.6%稀硫酸，在130条件下预处理90 min；将各个试样取出冷却至室温，调节ph为5.0，以100 u/g纤维素的加酶量加入纤维素酶，在50条件下水解48h；酶解结束后过滤，得到玉米秸秆水解液,分别定容到100ml，添加一定量的酵母粉和蛋白胨，灭菌后备用。分别用1g，2g，3g，4g玉米淀粉按一定的比例稀释，加入到250ml的三角瓶中，各设三个平行试验

11、。然后放在灭菌锅中于115条件下，灭菌15min。种子培养条件(酿酒酵母)：温度30，转速150r/min，培养时间16 h。摇瓶发酵：两种菌株的种子液按10%的接种量接入玉米秸秆的水解液培养基中，每种菌株做三个平行实验，在3、转速150 r/min条件下发酵培养，并定时取样，co2失重情况和乙醇生成情况，70h后完成发酵。（2）料液比的探究通过取玉米秸秆8g，10g，12g，14g，16g来控制0.8:10(w/v)和1:10(w/v)和1.2:10(w/v)和1.4:10(w/v)和1.6:10(w/v)的料液比，同时添加2g玉米淀粉。处理方法与发酵与（1）完全相同。（3）硫酸浓度对玉米秸

12、秆水解的探究分别称取10g的玉米秸秆放入到盛有100ml浓度为1.2%，1.4%，1.6%，1.8%，2.0%的硫酸中，在130水解90min，加料方法与发酵方法与（1）完全相同。（4）纤维素酶量的探究将样液添加80u/g，90u/g，100u/g，110u/g，120u/g的纤维素水解酶进行水解，加料方法与发酵方法与（1）完全相同。4. 实验预期结果4.1玉米秸秆与玉米淀粉配比的确定玉米淀粉是提供啤酒酵母初期生长的主要原料，由于淀粉市场价格比较昂贵所以必须确定最佳的淀粉投加量来节约投资成本。表一 混合原料发酵情况实验号淀粉量co2失重量酒精体积分数11gq1w122gq2w233gq3w34

13、4gq4w4预期值q1q2=q3=q4，w1w2=w3=w4，所以选取2g为最佳的淀粉投放量。4.2 料液比的确定料液的浓度比直接影响到产酒酵母的代谢活动，如果加料少提供酵母代谢的物质少出酒率低，过高发酵罐内的液体渗透压过高，不利于酵母的生长，罐内的原料利用不充分，造成较大的让费。表二 不同料液比发酵情况料液比co2失重量酒精体积分数残糖量0.8:10q1w1m11:10q2w2m21.2:10q3w3m31.4:10q4w4m41.6:10q5w5m5预期结果q1q3q4q5，w1w3w4w5，m1m2m3m4m5，所以选取料液比为1:10最合适。4.3 硫酸浓度对玉米秸秆水解的确定硫酸浓度

14、对玉米秸秆的处理直接影响发酵液中含糖量，影响酵母对原料的利用率。表三 不同硫酸浓度处理原料发酵情况实验号硫酸浓度co2失重量酒精体积分数11.2%q1w121.4%q2w231.6%q3w341.8%q4w452.0%q5w5预期结果为q1q2q4q5，w1w2w4w5，所以选取硫酸水解的浓度为1.6%最合适。4.4 纤维素酶用量的确定纤维素酶为比较贵重的原料，用量越多原料的水解越彻底，过多的用酶量会导致原料的让费，为了生产工艺的最优化必须确定用酶量。表四 不同酶用量发酵情况实验号用酶量u/gco2的失重量酒精的体积分数180q1w1290q2w23100q3w34110q4w45120q5w

15、5预期结果为q1q2q3=q4=q5，w1w2w3=w4=w5，所以最合适没的投加量为100u/g。5. 燃料乙醇的工艺流程设计5.1 流程概况混合玉米秸秆和玉米淀粉发酵酒精，大幅度减少设备原料投资，显著节省能源消耗，若能在酒精行业推广应用，将是酒精工业的一次革命，成为酒精工业发展史上的一个里程碑。如果玉米秸秆发酵酒精工艺这一构想能够得以实现，必然进一步缩小甚至消除燃料酒精与汽油的价格差距，从而进一步促进燃料酒精在我国的发展，提升酒精在我国能源结构中所占的比重。总之，生料发酵酒精方面的研究工作值得进一步加强和深入。发酵液与固体原料过滤分离。停止搅拌，绝氧条件下连续发酵70h，定期抽样检测。发酵

16、罐搅拌溶氧16h，发酵温度30控温在30下接种，全程必须无菌操作。添加酵母初期生长所需的氮等能源物质。加入液体原料，使料液比在1:10左右，在115灭菌15min调节ph=5，以100u/g的纤维素酶50条件下水解48h。1.6%的硫酸130条件下预处理90min，冷却代用。玉米秸秆收集，晒干，粉碎40目过筛。无水乙醇的制备。5.2 溶氧条件的控制由于酵母菌是属于兼性厌氧的微生物，在有氧条件下能良好的生长，在缺氧条件下能产生乙醇代谢，生长比较缓慢。所以在发酵初期必须溶氧，酵母在发酵罐中能大量繁殖，在溶氧16小时后，酵母数量达到一个峰值。在发酵起始后绝氧处理，进行连续发酵70h。5.3 ph条件的控制 酵母最适ph为4.25.0，当ph降到4.2以下时，酵母仍能继续繁殖，但此时多数杂菌已停止生长，在酒精工业上，控制发酵液的初始酸度被认为是抑制杂菌繁殖的有效措施之一。但随着初始ph的降低，升酸幅度有所降低，但酒