年产1亿升燃料乙醇生产工艺设计说明书

1、一、前言1.1燃料乙醇的概念31.2燃料乙醇的特点31.3发展燃料乙醇的意义4二、原料资源62.1生物乙醇的原料62.2生产用纤维素酶82.3纤维素酶解的方式9三、燃料乙醇生产所用微生物93.1 产霉菌种93.2乙醇生产菌种9四、燃料乙醇生产常用方法104.1预处理常用方法104.2玉米秸秆酶法糖化104.3乙醇发酵工艺114.4工艺流程示意图114.5操作方法11五、物料衡算和主要设备135.1物料衡算135.2主要设备14六、产品质量管理16七、体会和感想17八、参考文献17一、前言1.1 燃料乙醇的概念燃料乙醇，一般是指体积浓度达到99.5%以上的无水乙醇。根据中华人民共和国国家标准“变

2、性燃料乙醇”（GB 18350-2001）和“车用乙醇汽油”（GB 18351-2001）的规定，燃料乙醇是未加变性剂、可作为燃料用的无水乙醇。变性燃料乙醇是以淀粉、糖质为原料，经发酵、蒸馏制的的乙醇，脱水后再添加变性剂而得。加变性剂后水分应小于0.8%，不可食用。1.2燃料乙醇的特点1.2.1可作为新的燃料替代品可作为新的燃料替代品,减少对石油的消耗。乙醇作为可再生能源,可直接作为液体燃料或者同汽油混合使用,可减少对不可再生能源-石油的依赖,保障本国能源的安全。1.2.2辛烷值高抗爆性能就好作为汽油添加剂,可提高汽油的辛烷值。通常车用汽油的辛烷值一般要求为90或93,乙醇的辛烷值可达到111

3、,所以向汽油中加入燃料乙醇可大大提高汽油的辛烷值,且乙醇对烷烃类汽油组分（烷基化油、轻石脑油）辛烷值调合效应好于烯烃类汽油组分（催化裂化汽油）和芳烃类汽油组分（催化重整汽油）,添加乙醇还可以较为有效地提高汽油的抗爆性。1.2.3减少矿物燃料的应用以及对大气的污染乙醇的氧含量高达34.7%,乙醇可以按较甲基叔丁基醚（MTBE）更少的添加量加入汽油中。汽油中添加7.7%乙醇,氧含量达到2.7%；如添加10%乙醇,氧含量可以达到3.5%，所以加入乙醇可帮助汽油完全燃烧,以减少对大气的污染。使用燃料乙醇取代四乙基铅作为汽油添加剂,可消除空气中铅的污染；取代MTBE,可避免对地下水和空气的污染。另外,除

4、了提高汽油的辛烷值和含氧量，乙醇还能改善汽车尾气的质量,减轻污染。一般当汽油中的乙醇的添加量不超过15%时,对车辆的行驶性没有明显影响,但尾气中碳氢化合物、NOx和CO的含量明显降低。美国汽车/油料（AQIRP）的研究报告表明：使用含6乙醇的加州新配方汽油,与常规汽油相比，HC排放可降低5,CO排放减少21-28%，NOx 排放减少7-16%,有毒气体排放降低9-32%。1.2.4可再生能源若采用雅津甜高粱、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CO2和作为原料的生物源生长所消耗的CO2, 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。1.3 发展

5、燃料乙醇的意义发展包括燃料乙醇在内的可再生资源在全球范围内越来越被重视，其原因主要有以下几点：一是地球上的化石能源储量越来越少哦，在不久的将来将会枯竭，必须需找它的替代品；二是人类对自身的生存环境的重视，促使人们开始开发和使用绿色环保的能源产品；三是开发利用燃料乙醇已经为世界上许多国家和地区的经济发展，特别是农业经济带来了明显的好处。我国推行乙醇汽油清洁燃料，可以综合解决国家石油短缺、粮食过剩及环境恶化三大热点问题。并且对我国的农业、能源、环保、交通、财政诸方面将起到积极的推动作用。1.3.1 解决能源紧张根据联合国能源组织的评估，地球的石油储量再有50年左右将基本耗尽我国将比这一时间还短，只

6、有大约30年。液体燃料短缺将是困扰人类发展的大问题。再次背景下，生物质作为唯一可转化为液体的可再生资源，正日益受到重视。地球上的生物资源十分丰富，估计其年产量相当于目前所需能源的10倍，但目前作为能源利用的还不多1%，故生物质制的液体燃料的技术很有发展前途，其中又以生物质制燃料乙醇最易工业化，是人类可以利用的大宗能源之一。与普通汽油相比，乙醇以其燃烧更完全、CO排放量较低、燃烧性能与汽油相似等优良特性，被誉为21世纪的“绿色能源”。1.3.2 减少环境污染使用乙醇汽油作为燃料，可以明显降低汽车废气的排放，有效改善大气环境质量。目前世界上汽车对乙醇汽油的使用方法一般有两大类：(1)用汽油发动机的

7、汽车，酒精加入量为5-22%；(2)专用发动机的汽车，酒精加入量为85-100%。这样汽车就可以降低一氧化碳排放量约30-38%，挥发性有机化合物(VOC)约12%，氮氧化物排放量约略有上升(绝对量极少)，有害物质排放平均降低1/3以上。可以看出，用酒精作增氧剂，可显著降低汽车尾气中的有害物，起到净化空气的功效。1.3.3 促进农业发展和新农村的建设生产燃料乙醇的原料通常是采用当地的主要农作物或其副产品。因此，能源农业的发展，一方面解决了当地农产品转化问题，增加了加工深度，提高了产品附加值发挥了稳定农产品价格、提供就业岗位、增加农民收入的作用。另一方面，也使国家拥有一个可靠的粮食转化和调控凡是

8、，促进本国农业生产和消费形成良性的循环。1.4 燃料乙醇的国内外发展状况1.4.1国内应用现状我国在吉林年产60万吨和河南年产30万吨燃料乙醇项目分别于2001年9月于2004年开工建设，另外，河南天冠年产30万吨与黑龙江华润金玉年产10万吨燃料乙醇的改扩建项目已分别于2000年和2001年完成，并在当地开始了乙醇汽油的试用工作。目前燃料乙醇需求逐年增加，供需状况良好。经过5年的试点和推广使用，我国生物乙醇汽油在生产、混配、储运及销售等方面已拥有较成熟的技术。截至2006年6月，我国已形成燃料乙醇102万吨年生产能力、年混配1020万吨生物乙醇汽油的能力，生物乙醇汽油的消费量已占到全国汽油消费

9、总量的20。2006年，我国燃料乙醇的生产达到130万吨。目前我国发展非粮乙醇的可行之路，在于发展用甜高粱、甘薯、木薯等原料来替代粮食。纤维法生产乙醇技术还不成熟，美国计划用6年时间攻克这一技术难关。国内有企业已经实现了用纤维原料生产乙醇，但目前吨成本比粮食法要高1000多元。根据生物燃料乙醇以及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划，到2010年，我国将以薯类、甜高粱等非粮原料为主生产522万吨燃料乙醇，届时乙醇汽油使用量将占全国汽油用量的75%。到2020年，我国燃料乙醇年产量可达1000万吨。1.4.2国外应用现状世界酒精的66%用于燃料，14%用于食用，11%用于工业溶剂，9%用于其它化学

10、工业。发酵酒精作车用燃料有两种方式: 其一是配制汽油和无水酒精的混合物汽油醇，酒精在混合物中的比例最高可达25%。用汽油醇作汽车燃料时，可以利用原有的汽车发动机；其二是直接利用酒精作为汽车燃料， 这时必需使用专门设计的，具有更高压缩比的发动机。在这方面， 巴西走在最前面。早在1989 年，巴西以甘蔗、糖蜜、木薯、玉米为原料年产发酵酒精12Mt以上，几乎全部用来代替汽油， 大部分采用第二种方式作为汽车的燃料。从那时起， 巴西已经不再进口原油， 少量国产原油还可出口， 率先实现了汽车燃料的酒精化。目前巴西的乙醇产品中普通乙醇占2/3，无水乙醇占1/3。也是世界上最大的燃料乙醇生产和消费国，也是唯一

11、不使用纯汽油作为汽车燃料的国家。二、原料资源2.1生物乙醇的原料2.1.1生物乙醇生产的原料概况生产燃料乙醇的原料是能那些糖类或经过处理能够分级成单糖及其寡聚糖。目前，使用的主要原料是：糖类生物质，淀粉类生物质，甜高粱茎秆汁液，废糖蜜、甘蔗和甜菜，纤维素类生物质。目前国内燃料乙醇的生产主要以玉米、小麦等粮食淀粉为原料经微生物发酵而成，存在生产成本高、原料供应有限等问题。特别是燃料乙醇近几年在国内大力推广使用，使得陈化粮库存骤减，同时市场上玉米、小麦等粮食价格上涨，燃料乙醇的生产成本越来越高，粮食乙醇路线受到质疑。同玉米、小麦等粮食资源相比，木质纤维原料是丰富而廉价的可再生资源。我国每年仅农作物

12、秸秆、皮壳就达7亿多吨，其中玉米秸秆占35%，小麦秸秆占21%，稻草占19%,，大麦秸秆占10%，高粱秸秆占5%，谷草占5%，再加上数量巨大的林业纤维废料和工业纤维废渣，每年可利用的木质纤维原料总量可达20亿吨以上。木质纤维原料中纤维素约占干重的3545，半纤维素约占2040，采用适宜技术将它们水解成可发酵性糖，进一步转化为乙醇，将改变传统的燃料乙醇生产方式，为我国的能源供应作出重要贡献。2.1.2生物乙醇生产的选用原料木质纤维原料主要由纤维素、半纤维素和木质素三大部分组成，构成了植物的细胞壁，对细胞起保护作用。纤维素是由D-吡喃葡萄糖基以-l，4糖苷键连接而成的天然链状高分子化合物，大约由5

13、0010000个葡萄糖单元组成。半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的总称，主要是由木糖、葡萄糖、甘露糖、半乳糖和阿拉伯糖等连接而成的高分枝非均一聚糖。各种糖所占比例随原料不同而变化，一般木糖占一半以上。半纤维素排列松散，无晶体结构，故比较容易被水解成单糖。木质素是以苯基丙烷为基本结构单元连接的高分枝多分散性高聚物。木质素有一定的塑性，不溶于水，一定浓度的酸或碱可使其部分溶解。木质素不能水解为单糖，且对纤维素酶和半纤维素酶降解纤维原料中的碳水化合物有空间阻碍作用，从而降低反应速率。表11总结了植物细胞壁中纤维素、半纤维素和木质素的结构和化学组成。不同的木质纤维原料，其所含的纤维素、半纤维素和木质素

14、有一定差异，表11列出了几种农林废弃物的成份组成。表1几种常见木质纤维原料的主要成份含量因此本生产设计中选用木质纤维为原料，并且以其中最为常见且产量很高的玉米秸秆作为生产主原料。2.2生产用纤维素酶2.2.1纤维素酶纤维素酶是指能够水解纤维素-1，4葡萄糖苷键生成葡萄糖的一组酶的总称。大量的真菌纤维素酶体系的分离纯化研究证明纤维素酶是一种多组分的复合酶系；此外，可能参与纤维素降解过程的酶还有纤维二糖脱氢酶、纤维二糖醌氧化还原酶、磷酸化酶和纤维素酶小体等。2.2.2影响纤维素酶降解的主要因素2.2.2.1温度和pH大部分纤维素酶的活性其环境的温度和pH的影响。在最适pH下，酶反应具有最大速度，高

15、于或低于此值，反应速度下降。纤维素酶的最适pH一般在4.55.5范围内。温度也是影响纤维素酶解的重要因素，其最适温度范围是4060。2.2.2.2底物因素 纤维底物结构上的特征在一定程度上决定了酶解的速度，这些结构特征包括纤维素酶可接触的底物表面积、纤维索的结晶度、纤维素的聚合度、木质素含量与分布情况、底物浓度等，其中纤维素酶可接触的底物表面积被认为是对酶解具有最大影响的因子之一。2.3纤维素酶解的方式同步糖化发酵工艺,所谓同步糖化发酵工艺就是在同一个反应器中同时进行纤维素酶解糖化和乙醇发酵的过程。由于水解产生的葡萄糖能被酵母菌迅速利用，所以可以解除产物对纤维素酶的反馈抑制。这种方法既降低了产

16、物抑制，提高了酶解速率和产物转化率，又减少了酶的用量，而且简化了设备，节约了总生产时间，提高了生产效率。这方面研究所面临的主要问题是酶水解与酵母菌发酵的最适温度不一致，前者一般为4550，而后者通常是3035。由于同步酶解发酵过程中酶解作用是限速的一步，所以筛选耐高温发酵的酵母菌株对提高生产效率无疑是十分有意义的。三、燃料乙醇生产所用微生物3.1产酶菌种许多细菌、放线菌和真菌都能产生纤维素酶。目前应用于纤维素酶生产的真菌主要有木霉属、曲霉属、青霉属、根霉属、镰孢菌属和漆斑霉属等； 木霉属的真菌是目前研究最多的纤维素降解菌，其中最重要的是木霉属中的里氏木霉。纤维素酶的生产是生物转化木质纤维原料的

17、重要环节，生产方式包括液体深层发酵和体发酵两种工艺。液体深层发酵在通气搅拌式发酵罐中进行，工艺参数易于控制，不易污染杂菌，生产效率高，目前已在工业上普遍使用。3.2乙醇生产菌种木糖的乙醇发酵是利用木质纤维原料生产乙醇的关键环节。生产所用为酿酒酵母S.cerevisiae ZU-10。重组酵母具有乙醇耐受性强、遗传性能稳定、可在厌氧条件下发酵葡萄糖和木糖产乙醇等优良性能， 利用重组酵母S.cerevisiae ZU-10在厌氧条件下对玉米秸秆纤维素、半纤维素水解液中的葡萄糖和木糖进行共发酵，669gL葡萄糖和321 g/L木糖发酵生成414 gL乙醇，对葡萄糖和木糖的乙醇得率达到0418。初始p

18、H的适宜范围为4555，最适pH为55，适宜的发酵温度范围为30-32，最适发酵温度为30。四、燃料乙醇生产常用方法4.1预处理常用方法玉米秸秆预处理常采用的方法是氢氧化钠预处理。氢氧化钠预处理是利用木质素能够溶于碱性溶液的特点，脱除木质纤维原料中的木质素，引起木质纤维原料润胀，从而促进原料酶水解的进行。造纸工业的碱法制浆工艺就是利用氢氧化钠预处理来脱除麦草、稻草等纤维原料中的木质素和半纤维素而获得纤维素组分。本试验采用氢氧化钠对玉米秸秆进行预处理。玉米秸秆经氢氧化钠预处理后木质素的脱除率达到739，同时有335的半纤维素被脱除。氢氧化钠预处理后纤维残渣48 h的酶解得率为812，远高于稀酸、

19、氨水稀酸、以及石灰预处理玉米秸秆的酶解得率，这是因为氢氧化钠预处理有效脱除了纤维原料中的木质素，并且可引起纤维原料润胀，从而大大促进了底物的酶解效率。4.2玉米秸秆酶法糖化批式酶解糖化优化后的批式酶解工艺条件为：以氢氧化钠预处理的玉米秸秆为底物，底物浓度80 gL，酶用量为20 FPIUg底物和10 CBIUg底物，Tween-80添加量50g/L，酶解时间48 h。在优化后的批式酶解工艺条件下底物的酶解得率达到872。4.3乙醇发酵工艺同步糖化发酵里氏木霉纤维索酶中补加纤维二糖酶以消除纤维二糖的积累适宜的酶用量为20 FPIUg底物。，因此最适的同步糖化发酵温度为33。优化后的同步糖化发酵工

20、艺条件为：采用基因重组酵母S.cerevisiae为发酵菌株，以氢氧化钠预处理的玉米秸秆为底物，酶用量为20 FPIUg底物和10 CBIUg底物，Tween-80添加量50 gL，发酵温度33，初始pH48纤维原料同步糖化发酵过程中增加底物浓度可以提高产物乙醇的浓度。4.4工艺流程示意图4.5操作方法4.5.1秸秆预处理玉米秸秆粉碎、过筛(2mm)，粉碎后的秸秆用自来水清洗去除泥沙等杂质，滤除水分，风干，置样品袋中储存备用。取粉碎后的秸秆50 g，按1：8的固液比(w：v)加入2NaOH，搅拌均匀，于80水浴条件下处理75 min，抽滤，收集滤液(补加定量NaOH后用于下一批纤维原料预处理)

21、，残渣水洗至中性，称重，取样测含水量及主要成分分析。4.5.2碱处理液的复用当一批预处理结束后，收集碱处理液，用l M HCI滴定，pH计确定反应终点，计算碱处理液中的NaOH浓度，补加NaOH至浓度2，用于下一批玉米秸秆原料的预处理。4.5.3酶水解酶水解在糖化罐中进行，以预处理后的玉米秸秆纤维残渣为底物，底物浓度为80 gL，调节pH值为48，加入20 FPIUg底物的纤维素酶和10CBIUg底物的纤维二糖酶。酶解得率按下式计算：还原糖总量x0.9x100酶解得率()=底物中纤维素和半纤维素总量4.5.4乙醇发酵同步糖化发酵(SSF)：在发酵罐中以酶水解后的糖化醪为底物，每批投料量为1.5

22、106L，浓度为67.2g/L,发酵液接种后初始浓度为1.2g/L, 适宜的发酵温度范围为30-32，最适发酵温度为30，初始pH的适宜范围为4555，最适pH为55。 4.5.5乙醇的回收发酵液中的乙醇一般通过蒸馏的方法回收。为了降低乙醇蒸馏回收所耗用的能量成本，应尽可能提高发酵液中乙醇浓度，研究表明乙醇的有效回收要求发酵液中乙醇的浓度不得低于40 gL。经过粗馏和精馏只能得到乙醇和水的恒沸物(乙醇含量在95左右)，而用作燃料要求的是无水乙醇，从95乙醇生产无水乙醇的方法包括吸水剂脱水法(如分子筛吸附脱水)、共沸脱水法、有机物吸附脱水法、渗透气化膜吸附脱水法、离子交换脱水法和盐脱水法等。4.

23、5.6木质素回收收集预处理后的碱处理液(黑液)，冷却至室温后滴加浓硫酸至pH 35，静置，待木质素充分沉淀后小心倾出上清夜，下层絮凝物过滤，沉淀物烘干得粗木质素，称重。4.5.7碱溶性半纤维素糖类的回收碱处理液分理出木质素后得到上清液，加H2SO4至浓度3，于120下处理60 min，测定酸水解前后上清夜的总还原糖及各单糖组分。五、物料衡算和主要设备酒精发酵罐8只， 每只酒精发酵罐1个周期为3天，每只罐全年的生产周期数为330天3天110。全年共投料为110批。年产1亿升（体积浓度为99.5%），其中纯酒精为：110899.5%46=4.58109 g每批需产出纯酒精为：4.58109g110

24、=4.16107 g按每1L主料产酒精为27.8g计，每批投料量为：4.16107 g27.8=1.5106 L。每批每个酒精发酵罐投料量为：1.5106L8=1.8105 L已知浓度为67.2g/L,还原糖质量百分比为90%，所以可知其中每罐还原糖投料质量为： 1.8105 L67.290%=1.3107 g=1.3104 kg按0.204g乙醇/g秸秆计算全年需用秸秆质量为：4.58109 g0.204=2.241010 g=2.24107 kg5.1 物料衡算表2 生产用原料序号物料名称质量/kg物料规格每罐投料量/kg1秸秆2.24107纤维素62%2.51042NaOH1.81082

25、%2.01053纤维素酶6.91057.81024还原糖投料量1.010590%1.31045酵母菌1.71051.91025.2 主要设备5.2.1预处理工段原料为玉米秸秆需采用锤式粉碎机，粉碎后放入预处理池用NaOH处理。过滤，将纤维素残渣送入糖发酵罐。5.2.2糖化工段向糖化罐中加入纤维素酶糖化，将最终糖化产生的葡萄糖和木糖输送入发酵罐。5.2.3发酵工段加入重组酵母，在30下发酵，蒸馏并经过吸附、脱水过程得到相应标准的燃料乙醇。5.2.4辅助机械设备各种输送泵类均采用离心泵，可根据其流量和扬程要求选定。土吊车为设备维修中较大零件和小型设备的搬运而设。表3 工业生产主要用设备序号设备名称

26、规格数量单台总量包括物料量/t容量1锤式粉碎机JO2-71-43222真空泵JO2-42-43高效过滤器JO2-72-6334糖发酵罐200 m3/5 m10 m82520万 L5酒精发酵罐200 m3/5 m10 m814.41.8105 L6土吊车27回收池8蒸馏塔1500kg/h141.69仪器仪表系统110离心分离机组22.24107 kg11储存罐50 m3/552314.05.0104 L12列管换热器5六、产品质量管理在燃料乙醇生产过程中，生产关键控制点的参数的控制直接影响到产品质量，是生产中要着力把握的地方，因此应科学合理地设置控制点，同时做好相应的记录。部分企业存在关键控制点设置不合理、操作记录欠缺等问题，部分小企业还以操作者的经验来安排生产关键控制点一旦确定,应及时、认真地加以记录。记录是一种见证、溯源、积累，通过长期的记录能对企业的质量管理和生产起到改进的作用。必须按如下标准执行。表4 我国燃料乙醇国家标准（GB 18350-2001）项目单