年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计-酒精发酵工艺初步设计

1、海 南 大 学 生物工艺学课程设计 说 明 书题 目：年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计酒精发酵工艺初步设计 学 院： 材料与化工学院 专 业： 生物工程 班 级： 2011级生物工程2班 学 号： 姓 名： 赵庆荣 指导教师： 刘平怀老师 时 间: 2011年5月 摘要发酵设备是发酵工厂中的主要设备，发酵设备必须具有适宜微生物生长和形成产物的各种条件，促进微生物的新陈代谢，使之能在低耗能下获得较高产品。因此发酵设备必须具备微生物生长的基本条件。发酵主要分为嫌弃发酵和好气发酵两大类，根据发酵微生物的不同特性我们可以选择与之相对应的不同的发酵设备来进行所需要的发酵过程。酒精发酵属于嫌弃发酵

2、过程，所以酒精发酵罐也需设计制造成嫌弃发酵罐来进行发酵。酒精发酵罐除了满足微生物生产和代谢的基本条件外，发酵微生物热的释放和冷却设备及发酵废液的排放等一系列工艺条件也必须满足。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，产量高，淀粉含量高，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”。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。所以对木薯发酵生产酒精的

3、研究具有重要的意义。本课程设计题为年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计发酵糖化醪的发酵工艺初步设计，本次设计的酒精发酵罐为年产20000吨，99.5%的酒精，针对500m3关键词：燃料酒精 木薯 发酵目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc388302597 1.绪论 PAGEREF _Toc388302597 h 5 HYPERLINK l _Toc388302598 1.1 设计的目的及意义 PAGEREF _Toc388302598 h 5 HYPERLINK l _Toc388302599 1.3 设计依据 PAGEREF _Toc388302599

4、h 6 HYPERLINK l _Toc388302600 设计课题 PAGEREF _Toc388302600 h 6 HYPERLINK l _Toc388302601 1.3.2 设计条件 PAGEREF _Toc388302601 h 6 HYPERLINK l _Toc388302602 2 生产工艺流程选择和论证 PAGEREF _Toc388302602 h 7 HYPERLINK l _Toc388302603 2.1 燃料酒精生产流程（附图2） PAGEREF _Toc388302603 h 7 HYPERLINK l _Toc388302604 2.2 酒精发酵工艺流程 P

5、AGEREF _Toc388302604 h 7 HYPERLINK l _Toc388302605 酒精发酵的要求 PAGEREF _Toc388302605 h 7 HYPERLINK l _Toc388302606 2.2.2 酒精发酵机理 PAGEREF _Toc388302606 h 7 HYPERLINK l _Toc388302607 酒精发酵工艺流程选择 PAGEREF _Toc388302607 h 8 HYPERLINK l _Toc388302608 2.2.4 木薯酒精发酵工艺的论证 PAGEREF _Toc388302608 h 8 HYPERLINK l _Toc3

6、88302609 酒精发酵工艺优化最新研究进展 PAGEREF _Toc388302609 h 10 HYPERLINK l _Toc388302610 2.3 酒精发酵动力学 PAGEREF _Toc388302610 h 12 HYPERLINK l _Toc388302611 酒精发酵的表示方法 PAGEREF _Toc388302611 h 12 HYPERLINK l _Toc388302612 三酒精发酵的阶段 PAGEREF _Toc388302612 h 12 HYPERLINK l _Toc388302620 2.3.3 酒精发酵的机制 PAGEREF _Toc3883026

7、20 h 14 HYPERLINK l _Toc388302621 2.3.4 酒精发酵过程中主要副产品的生成 PAGEREF _Toc388302621 h 14 HYPERLINK l _Toc388302622 2.3.5 发酵成熟醪的指标 PAGEREF _Toc388302622 h 15 HYPERLINK l _Toc388302623 2.3.6 影响酒精发酵的因素 PAGEREF _Toc388302623 h 15 HYPERLINK l _Toc388302624 2.3.7 酒精发酵中杂菌污染的危害及其防止 PAGEREF _Toc388302624 h 16 HYPE

8、RLINK l _Toc388302626 3 生产工艺操作条件 PAGEREF _Toc388302626 h 16 HYPERLINK l _Toc388302627 3.1 设计任务 PAGEREF _Toc388302627 h 16 HYPERLINK l _Toc388302628 3.2 设计工艺方案的计算 PAGEREF _Toc388302628 h 16 HYPERLINK l _Toc388302629 物料衡算 PAGEREF _Toc388302629 h 16 HYPERLINK l _Toc388302630 3.2 .2原料消耗的计算 PAGEREF _Toc3

9、88302630 h 18 HYPERLINK l _Toc388302631 4. 无水燃料酒精发酵生产设备的选型 PAGEREF _Toc388302631 h 23 HYPERLINK l _Toc388302632 4.1 主要设备发酵罐的设计与选择 PAGEREF _Toc388302632 h 24 HYPERLINK l _Toc388302633 4.1.1 发酵罐选择原则及选型 PAGEREF _Toc388302633 h 24 HYPERLINK l _Toc388302634 糖化醪与发酵醪量的计算 PAGEREF _Toc388302634 h 25 HYPERLIN

10、K l _Toc388302635 4.1.3 发酵罐几何尺寸及全罐表面积的确定 PAGEREF _Toc388302635 h 26 HYPERLINK l _Toc388302636 设备材料的选择 PAGEREF _Toc388302636 h 27 HYPERLINK l _Toc388302637 4.1.5 发酵罐的壁厚计算 PAGEREF _Toc388302637 h 27 HYPERLINK l _Toc388302638 接管设计 PAGEREF _Toc388302638 h 28 HYPERLINK l _Toc388302639 支座的选择 PAGEREF _Toc3

11、88302639 h 28 HYPERLINK l _Toc388302640 5. 发酵废醪后处理工艺 PAGEREF _Toc388302640 h 28 HYPERLINK l _Toc388302643 7 总结感想 PAGEREF _Toc388302643 h 30 HYPERLINK l _Toc388302644 8 附图 PAGEREF _Toc388302644 h 32 HYPERLINK l _Toc388302645 8.1 工艺流程图（见附图1） PAGEREF _Toc388302645 h 32 HYPERLINK l _Toc388302646 间歇发酵流程及

12、其程序控制图（见附图2） PAGEREF _Toc388302646 h 32 HYPERLINK l _Toc388302647 发酵罐示意图（见附图3） PAGEREF _Toc388302647 h 32 HYPERLINK l _Toc388302648 8.4 生产平面图示意图（见附图4） PAGEREF _Toc388302648 h 32 HYPERLINK l _Toc388302649 8.5 车间布置图（见附图5） PAGEREF _Toc388302649 h 32 HYPERLINK l _Toc388302650 9 参考文献 PAGEREF _Toc38830265

13、0 h 321.1 设计的目的及意义在学习掌握所学的生物工艺学、生物工程设备、化工原理等课程的基本理论和基础知识的基础上，通过本次课程设计，培养我们综合运用这些知识分析和解决实际问题的能力以及协作攻关的能力，训练我们使用文献资料和进行技术设计、运算的能力，提高文字和语言表达能力，为其它专业课程的学习和毕业论文（设计）打下基础。随着国际燃油价格的不断攀升，能源的短缺及燃料酒精的推广使用，燃料酒精行业获得了大好的发展时机。从资源、技术和经济性分析，我国发展生物质能源产业时机基本成熟，需要加快发展步伐。且生物质能源能有效降低污染，与普通汽油相比，使用车用乙醇汽油后，一氧化碳的排放可降低7%，碳氢化合

14、物可降低48%。因此，开发和使用生物质能源符合保护环境，实现循环经济和可持续发展的要求。目前，发展生物质能源替代石油，已确定为我国的一项重要战略决策。为避免燃料乙醇与人“争粮”问题的进一步发展，我国科技工作者努力寻求各种非粮材料以替代玉米、小麦等。所以第二代生产燃料乙醇的基础原料是非粮材料，包括薯类物质、稻草和其他植物纤维材料等。发展燃料乙醇的重点在于推进“非粮”原料的应用，以推进第二代生物燃料乙醇的产业化发展。我国木薯资源总量巨大，而现在其利用率极低，相当数量的都烂在地窖里。木薯是多年生植物，盛产于我国南方，主要是碳水化合物，其他成分，如蛋白质、脂肪、果胶质等含量都比较少，因此被誉为“淀粉之

15、王”。鲜木薯淀粉含量高达25%30%，木薯干的淀粉含量高达70%78%，是世界公认的一种具有很大发展潜力的酒精生产再生资源。一般可分为甜味木薯和苦味木薯，前者无毒但产量低，不适合作为大规模生产的原料；后者产量高，但因含有剧毒物质氢氰酸0.07%0.24%而得名有毒木薯，不过作为酒精生产原料，蒸煮时大部分氢氰酸蒸发出去，并不影响发酵及成品质量。同时，利用木薯作为生产燃料酒精的原材料还有极大地成本优势，相关数据显示1吨木薯酒精原料成本为2600元/吨左右，1吨蔗糖酒精原料成本为3500元/吨左右，而1吨玉米酒精需成本达到了4000多元/吨。而且以木薯生产酒精，每亩土地可得到的酒精量是玉米、稻米的两

16、倍。为更进一步推进“非粮”原料生产燃料乙醇产业化发展；同时也为更好的促进对我国木薯价值的开发利用，增加农民收入，推进农业的进步，将木薯作为我国生产燃料酒精的主要非粮原材料，不失为一项明智的选择。1.2 设计指导思想和原则一、设计按照设计任务书进行，尽量符合任务书的要求，各种计划进程在任务书的可控范围内。二、工厂充分考虑现今的一些技术，设备，以及设计先进理念，以“工艺先进、技术可靠、系统科学、经济合理、安全环保”为原则，各种设计方案综合比较，取长补短，制定一个高产节能的设计方案，高效生产合格燃料乙醇。三、设计尽量贴近实际，并且努力使其经济效益最大化，在各种设备选型中，合理考虑性价比和地区特性，不

17、盲目追求新设备，新生产线。 设计依据年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计酒精发酵工艺初步设计 （海南大学生物工程课程内容任务书）1.3.2 设计条件生产能力：年产2万吨99.5%酒精含量燃料乙醇原料：木薯（海南产）糖化而来的糖化醪液 生产方法: 双酶糖化、间歇发酵生产技术 生产时间：全年生产300天（24小时），连续操作工厂厂址：海口郊区厂址地域与自然条件：当地气候条件（来自海南气象台资料）：温度 高温39 最低温度6 平均温度湿度 最高湿度92% 平均湿度85% 水温 河水（1米） 最高30 最低10 自来（饮用）水 最高30 最低10 深井水 平均18 风频率 年平均风速： 降水量 年

18、平均：1691ml/a 风向 东北风和东风产品：根据GB183502001要求，生产含酒精含量99.5%的成品。2 生产工艺流程选择和论证2.1 燃料酒精生产流程（附图2）2.2 酒精发酵工艺流程 （1）在发酵前期，要创造条件，让酵母菌迅速繁殖，并占据绝对统治地位。（2）保持一定量的糖化酶活力，使糖化醪中糊化了的淀粉继续被分解，生成可发酵性糖，即要保持后糖化的继续进行。（3）发酵过程的中期和后期，要造成厌气条件，使酵母在无氧条件下进行糖的酒精发酵。（4）要搞好杂菌污染的防止工作，避免因此中造成的损失。（5）要采取必要的措施，提高酒精发酵强度，降低酒精厂的造价和酒精的生产成本。（6）注意回收二氧

19、化碳及其夹带的酒精，二氧化碳应进一步利用。2.2.2 酒精发酵机理 酒精酵母进入糖化醪后，糖分被酵母细胞所吸收，并渗入细胞内，经过酵母细胞内酒化酶系统的作用，最终生成酒精、和能量，一部分能量被酵母细胞用作新陈代谢的能源，余下的部分和酒精及一起，通过细胞膜排除体外。酵母菌就是以这种方式进行烫的酒精发酵的。 酒精从细胞膜渗出后很快就渗透到周围介质中去了，因为酒精可以任何比例与水混合。这样，酵母细胞周围的酒精浓度并不比醪液中的高。也会在液体中。但是很快就达到饱和状态。此后产生的就吸附在细胞表面，直至超过细胞重力的时候，气泡就带着细胞上浮，直至气泡破裂，释入空中，细胞留在醪中慢慢下沉。由于的上升，带动

20、了醪液中酵母细胞的上下游动，使酵母细胞更能充分的与醪液中的糖分接触，发酵作用更充分和彻底。 在发酵后期，醪液中的糖分含量降低到一定水平以下，而液体中的已经饱和，这时，不再能排除细胞，因而对发酵形成阻碍。在这种情况下，为了使得以释放，必须使它和某种表面接触。与表面接触后易于释放的原因在于它的电荷。和其他液体中的气体一样是带负电荷的，当它和带负电的发酵罐表面接触时，因为电荷的排斥力，使无法在管壁停留二溢出。所以，容易沿管壁溢出。 随着的上升，不仅带动了酵母细胞，也使固形物一起上浮，有时也能使底层的物料持久的浮在醪液表面，这种类型的发酵称为被盖式发酵。如果发酵醪较粘稠，气泡到达页面后并不破裂，逐渐形

21、成持久不散的泡沫。严重是，泡沫会从罐顶溢出，造成可发酵性物质损失，这种类型的发酵称为泡沫型发酵。被盖型和泡沫型发酵都是不理想的发酵类型。 酒精发酵是属于厌气性发酵，在发酵过程中进行无氧呼吸，在此过程中，发生着复杂的生物化学变化，既有糖化醪中淀粉和糊精继续被淀粉酶水解生成糖，也有蛋白质在曲霉蛋白酶水解下生成肽和氨基酸。这些物质一部分被酵母吸收合成菌体细胞，另一部分则被发酵，生成酒精和CO2。 酒精发酵的方式分为间歇式、半连续式和连续式三种。 间歇发酵：指全部发酵过程始终在同一个发酵罐内进行的发酵方式。其优点是操作简单，易于管理，不会大面积感染杂菌。缺点是酒母用量大，非生产性时间长，设备利用率低。

22、 连续发酵：指把发酵的不同阶段的分别放入发酵罐内进行发酵的方式。由于糖液是一直连续不断地流加，故每个发酵罐内的流量、醪液浓度、酒精浓度、酵母细胞数以及温度、pH值等均相应稳定，有利于酵母的生长繁殖。优点是可以提高设备利用率，节省酒母，便于自动化控制，缺点是对无菌条件要求严格。半连续发酵：介于间歇发酵和连续发酵之间的一种发酵方式。指主酵期采用连续发酵而后酵期采用间歇发酵。其优点是节约酒母，设备利用率较间歇发酵有所提高，缺点是对无菌要求较为严格。2 木薯酒精发酵工艺的论证（1）提高了设备利用率连续发酵法生产酒精，其生产设备始终处于发酵状态。另外，醪液进入发酵罐后，立即处于主发酵状态，省去了间歇发酵

23、中的前发酵期。因此提高设备利用率20以上。（2）提高了淀粉利用率连续发酵无菌条件要求高，杂菌不易污染，发酵醪液始终处于流动状态，促进了酵母与醪液的均匀接触，并有利于CO2排除，因此增强了酵母的发酵作用，提高了出酒率。（3）省去了酒母工段连续发酵工艺每15 天左右才需接一次酒母，而间歇发酵一天就要培养几次洒母，因此大大减少了繁琐的酒母培养工作。（4）便于实现自动化目前，酒精生产中蒸煮、糖化和蒸馏工艺多数已采用连续生产，如果发酵工艺也能采用连续化，则整个生产都趋于连续化了。木薯酒精发酵动态酒精发酵过程从外观现象可以将其分为如下三个发酵不同阶段.（1）前发酵期酒母与糖化醪加入发酵罐后，醪液中含有少量

24、的溶解氧和充足的营养物质，所以酵母菌迅速繁殖，使发酵醪中酵母细胞繁殖到一定数量。前发酵阶段时间的长短，与酵母的接种量有关。如果接种量大，则前发酵期短，反之则长。前发酵延续时间一般为l0小时左右。（2）主发酵期主发酵阶段，酵母细胞已大量形成。由于发酵醪中的氧气也已消耗完毕，酵母菌基本上停止繁殖而主要进行酒精发酵作用。主发酵时间长短，取决于醪液中营养状况，如果发酵醪中糖分含量高，主发酵时间长，反之则短。主发酵时间一能为12 小时左右。（3）后发酵期后发酵阶段，醪液中的糖分大部分已被酵母菌消耗掉，醪液中尚残存部分糊精继续被曲中的葡萄糖苷酶作用，生成葡萄糖。后发酵阶段，因为发酵作用减弱，此时醪液温度应

25、控制在3032左右。木薯原料生产酒精的后发酵阶段一般约需40小时左右才能完成。发酵成熟醪的指标（1）外观糖成熟醪用纱布过滤后，直接用糖度计测量所得的数值叫外观糖。干物质浓度越低，酒精含量越高，糖度计测量得到的数值越小。（2）还原糖是取滤布过滤后的发酵醪液，加热蒸去所含酒精，并加水恢复到原来体积后，以测定还原糖的方法测得的数值。（3）残总糖是发酵醪不经过滤，用2%HCL水解转化后测得的糖量，它不仅包括发酵醪中的具有还原性的糖类，而且还包括未被转化发酵的淀粉和糊精。（4）酸度发酵醪酸度采用滴定法测定。它是判断发酵醪是否感染杂菌的可靠指标，因为酵母发酵基本不产生酸，只有杂菌才会产酸。（5）挥发酸测定

26、方法是取发酵醪若干加入适量水后，以蒸馏方法蒸出相当于原发酵醪体积的馏出液，按测定酸度方法测定。（6）酒精含量用蒸馏方法测定。 目前木薯酒精发酵工艺主要有分别水解发酵工艺, 同步水解、发酵工艺, 固定化细胞发酵工艺, 生淀粉发酵工艺等。1、分别水解发酵工艺(SHF) SHF 法的工艺特点是糖化和发酵分别在不同的反应器中进行。当前木薯原料发酵生产酒精普遍采用的是SHF 模式,SHF 模式发酵速度较慢, 一方面是由于发酵初期高的葡萄糖浓度对酵母发酵产生抑制, 另一方面即使SHF 模式中也存在后糖化过程, 酵母自身不能利用淀粉, 发酵结束除了取决于酵母利用葡萄糖的速度, 还取决于发酵后期糖化酶的后糖化

27、速度。SHF 模式中, 糖化后高的葡萄糖对糖化酶的抑制使其活性下降较快, 造成后糖化作用弱, 发酵时间延长2。2、 同步水解、发酵工艺 同步水解、发酵工艺即同步糖化发酵法。20 世纪70 年代,一些学者在研究纤维素发酵转化乙醇的过程中, 为了防止糖积累和最终产物抑制, 从而提高纤维素酶的催化水解效率, 提出了同步糖化发酵(SSF)模式, 受到了广泛的重视, 各国学者进行了大量研究。采用SSF 模式发酵淀粉原料生产酒精, 省略了糖化工段, 能耗降低; 糖化和发酵在同一个反应器中进行, 设备投资省; 另外糖化和发酵同时进行, 糖化生产的葡萄糖一经产生就被酵母利用, 解除了产物抑制, 保持了糖化酶的

28、活性, 有利于防止染菌。刘振等对木薯干原料同步糖化发酵生产乙醇的各影响条件进行研究, 得出最优的工艺条件: 原料粉碎粒度0.45mm, 加水比2.8, 100下蒸煮30 min, - 淀粉酶、糖化酶的添加量分别为10、180U/g, 30O下发酵48h。并与普通的先糖化后发酵(SHF)生产模式进行了对比, 认为SSF 具有工艺简单、能耗低、发酵迅速、醪液酒精度高等众多优点, 但是同步糖化发酵法存在糖化和发酵温度不协调等缺点。3、 固定化细胞发酵工艺 固定化细胞发酵具有能使发酵罐内细胞浓度提高, 细胞可连续使用, 使最终发酵液酒精浓度得以提高。在游离发酵过程中, 酵母随着醪液流出, 造成酵母细胞

29、迅速降低, 发酵速度变慢。人们从固定化酶技术得到启发, 使酵母一直停留在发酵罐中, 保持高的反应速度。常用的方法有吸附、包埋、交联等, 可用的固定载体多种多样, 常用的载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃等。赵玲等2以海藻酸钠为载体进行了固定化酵母流化床生物反应器木薯淀粉酒精的间歇发酵试验, 得出发酵醪初糖浓度为15%- 17% , 经过9 h 的发酵, 发酵醪酒精含量达到9.3%- 9.6%(v/ v), 酒精收率为87.35%- 92.27% 。反应器的乙醇生产能力为5.71- 5.90 g/ L.h, 残糖均低于1% , 与常规的生产工艺相比极大地缩短发酵时间, 提高生产强度2- 3 倍。李

30、魁3采用聚乙烯(PVA)为载体共固定化酵母菌细胞和糖化酶制剂, 以木薯糖化醪为发酵底物在共固定化生物反应器中, 控制发酵温度300, 在糖化醪流加速率为9mL/h, 停留时间3.1h 和稀释速率为0.155h- 1 条件下进行酒精连续发酵, 成熟发酵醪液残余总糖和残余还原糖含量均较低, 游离细胞数较常规发酵低1 个数量级以上, 总糖利用率高达96.91%。 8O 年代初, K.Esser 等人率先提出利用某些具有强自身絮凝能力的菌株形成颗粒, 以此作为一种固定化细胞的方法4。这种技术被称为无载体细胞固定化技术, 与通常的载体固定化方法相比, 它具有如下优点: 固定化操作方法简单, 无载体附加费

31、, 不消耗任何辅助材料, 颗粒制各成本低; 与载体固定颗粒相比, 细胞颗粒内部传质阻力小, 有利于维持细胞的活性和发酵的进行; 反应器中菌体浓度高, 可获得很高的生产强度。2000 年, 马悦等以一株粟酒裂殖酵母变异株( Schizosacharomycespombe )在悬浮生物反应器内进行了以木薯淀粉糖化液为发酵底物的酒精清液连续发酵研究, 得出了二级连续发酵系统可明显改善一级系统的不足, 并取得了平均流加糖液浓度150g/ L, 发酵强度为9.7g/ L.h, 流出液酒精浓度72.7g/ L, 残糖浓度3.74g/ L, 总糖利用率90% 的较好结果, 并且整个系统在连续一个月的运行中从

32、未发现染菌现象, 发酵操作稳定5。4、 生淀粉发酵工艺 生料酿酒就是指酿酒原料不用蒸煮, 糊化直接将生料淀粉进行糖化和发酵, 生料发酵在酿酒上已得到广泛应用, 生产实践表明, 与传统的酿酒方法相比:能耗低, 生料酿酒可节约能源50%; 成本低, 降低成本37%; 改善劳动条件, 降低劳动强度30%左右; 出率高, 能提高出酒率20%- 30%, 酒质好等优点,但以生料发酵在木薯酒精生产中的研究比较少见。1981 年, Seiuosuke Ued6等人报道了用木薯制酒精的试验方法, Asp.awamoriNRRL3l12 和Asp.niger 菌种在麸皮上于300培养3d 制成淀粉酶, 将粉碎的

33、木薯浆和淀粉酶、酵母混合, 在pH3.5, 300下发酵5d, 生木薯的酒精产量是理论值的82%- 99%。2005 年, 李志平7以木薯为原料, 通过单因素试验、正交试验, 认为生淀粉分解酶的酶用量为30u/ g 原料, 料水比为1:4.5, 酵母接种量为5%, 发酵时间4d 为生淀粉直接发酵生产酒精的最佳发酵条件, 并且得出发酵成熟醪酒分为7.04%(v/v), 发酵率为78.38%。2.3 酒精发酵动力学 （1）测定发酵度数值的变化。 （2）测定释放二氧化碳的重量或体积。 （3）按时测定已被发酵糖的数量，并以绝对或百分数来表示。 （1）前发酵期 在酒母与糖化醪加入发酵罐后，醪液中的酵母细

34、胞数还不多，由于醪液中含有少量的溶解氧和充足的营养物质，所以酵母菌仍能迅速地进行繁殖，使发酵醪中酵母细胞繁殖到一定数量。 在这一时期，醪液中的糊精继续被糖化酶作用，生成糖分，但由于温度较低，故糖化作用较为缓慢。 从外观看，由于醪液中酵母数不多，发酵作用不强，酒精分和CO2产生得很少，所以发酵醪的表面显得比较平静，糖分消耗也比较馒。前发酵阶段时间的长短，与酵母的接种量有关。如果接种量大，则前发酵期短，反之则长。前发酵延续时间一般为l0小时左右。 由于前发酵期间酵母数量不多，发酵作用不强，所以醪液温度上升不快。醪液温度控制，在接种时为2628，前发酵期温度一般不超过30。如果温度太高，会造成酵母早

35、期衰老，如果温度过低，又会使酵母生长缓慢。 前发酵期间应十分注意防止杂菌污染，因为此时期酵母数量少，易被杂菌抑制，故应加强卫生管理。 （2）主发酵期 酵母细胞已大量形成，醪液中酵母细胞数可达1亿毫升以上。 由于发酵醪中的氧气也已消耗完毕，酵母菌基本上停止繁殖而主要进行酒精发酵作用。 醪液中糖分迅速下降，酒精分逐渐增多。因为发酵作用的增强，醪液中产生了大量的CO2。随着CO2的逸出，可以产生很强的CO2泡沫响声。 发酵醪的温度此时上升也很快。生产上应加强这一阶段的温度控制。根据酵母菌的性能，主发酵温度最好能控制在3034 主发酵时间长短，取决于醪液中营养状况，如果发酵醪中糖分含量高，主发酵时间长

36、，反之则短。主发酵时间一能为12小时左右。 （3）后发酵期醪液中的糖分大部分已被酵母菌消耗掉，醪液中尚残存部分糊精继续被曲作用，生成葡萄糖。由于这一作用进行的极为缓馒，生成的糖分很少，所以发酵作用也十分缓慢。因此，这一阶段发酵醪中酒精和CO2产生得也少。后发酵阶段，因为发酵作用减弱，所以产生的热量也减少，发酵醪的温度逐渐下降。此时醪液温度应控制在3032左右。如果醪液温度太低，糖化酶的作用就会减弱，糖化缓慢，发酵时间就会延长，这样也会影响淀粉出酒率。淀粉质原料生产酒精的后发酵阶段一般约需40小时左右才能完成。2.3.3 酒精发酵的机制1）葡萄糖磷酸化，生成活泼的1，6-二磷酸果糖。 （1）葡萄

37、糖的磷酸化6-磷酸葡萄糖的生成 （2）6-磷酸葡萄糖和6-磷酸果糖的互变 （3）6-磷酸果糖生成1，6二磷酸果糖2） 1，6-磷酸果糖裂解称为两个分子的磷酸丙糖。 （1）1，6二磷酸果糖分解生成两分子三碳糖 （2）磷酸二羟基丙酮与3-磷酸甘油醛互变3）3-磷酸甘油醛经氧化，并磷酸化，生成1，3-二磷酸甘油酸然后将高能磷酸键转移给ADP，以产生ATP，再经磷酸基变位，和分子内重新排列，再给出一个高能磷酸键，而后生成丙酮酸。 （1）3-磷酸甘油醛脱氢并磷酸化生成1，3-二磷酸甘油酸。 （2）3-磷酸甘油酸的生成 （3）3-磷酸甘油酸和2-磷酸甘油酸的互变 （4）2-磷酸烯醇式丙酮酸的生成 （5）丙

38、酮酸的生成2.3.4 酒精发酵过程中主要副产品的生成 （1）甘油的生成 酵母在一定条件下，可以转化糖分为甘油。但是，在正常酒精发酵条件下，发酵醪中只有少量的甘油生成，其含量约为发酵醪量的0.3-0.5%。正常的酒精发酵应在酸性情况下进行，以免甘油过多产生，造成酒精出率的降低。 （2）杂醇油的生成 在酒精发酵过程中，由于原料中蛋白质分解产生了氨基酸，后者的氨基酸被酵母菌同化，用作氮源，存下额部分脱羧生成相应的醇类，这些醇类就是杂醇油。 （3）琥珀酸的生成 （4）乳酸等有机酸的生成最常见的有机酸，醋酸，和丁酸等。它们分别是由乳酸菌，醋酸菌和丁酸菌发酵产生的。2.3.5 发酵成熟醪的指标 （1）外观

39、糖 成熟醪用纱布过滤后，直接用糖度计测量所得的数值叫外观糖。干物质浓度越低，酒精含量越高，糖度计测量得到的数值越小。 （2）还原糖 是取滤布过滤后的发酵醪液，加热蒸去所含酒精，并加水恢复到原来体积后，以测定还原糖的方法测得的数值。 （3）残总糖 是发酵醪不经过滤，用2%HCL水解转化后测得的糖量，它不仅包括发酵醪中的具有还原性的糖类，而且还包括未被转化发酵的淀粉和糊精。 （4）酸度 发酵醪酸度采用滴定法测定。它是判断发酵醪是否感染杂菌的可靠指标，因为酵母发酵基本不产生酸，只有杂菌才会产酸。 （5）挥发酸 测定方法是取发酵醪若干加入适量水后，以蒸馏方法蒸出相当于原发酵醪体积的馏出液，按测定酸度方

40、法测定。 （6）酒精含量 用蒸馏方法测定。2.3.6 影响酒精发酵的因素 （1）糖化醪的浓度 糖化醪浓度高，所得到发酵醪的酒精含量高，设备利用率也就提高，水，电，气等单消耗则相应降低，酒精额生产成本就低。 （2）发酵温度 为了节约冷却水用水和保证热天酒精发酵的顺利进行，国内外都在研究耐高温酵母，在进行高温酵母酒精发酵时，要特别注意防止细菌的繁殖，否则难以得到良好的结果。 (3）发酵醪酸度 （4）酵母接种和发酵时间 （5）连续发酵稀释比2.3.7 酒精发酵中杂菌污染的危害及其防止 （1）杂菌污染造成的直接损失 杂菌消耗糖，造成直接损失。 （2）杂菌污染造成的间接损失 杂菌产生的有机酸对酵母的生命

41、活动有明显的影响。酸度增加对淀粉酶系统活性造成抑制性影响，这只有麦芽作为糖化剂时候才能明显影响。 （3）杂菌污染的防止 提高他们对车间清洁卫生和操作规程中规定的消毒灭菌工作重要性认识，其次就是健全操作规定，特别是有管消毒灭菌的条例。3 生产工艺操作条件3.1 设计任务（1）原料液（糖化醪：13178.0Kg/t）乙醇含量7.14%（质量分数） 糖化醪液组成: 70%的糖化醪,30%补充糖化剂与稀释水（2）发酵成熟醪:酸度6.2，残糖1%，残余还原糖0.3%，酒精份1012%（v/v）（3）杂醇油的产量为酒精产量的0.3%-0.7%（4）生产能力为年产2吨99.5%的无水乙醇产品3.2 设计工艺

42、方案的计算 （一）年产20000吨淀粉原料酒精厂发酵车间物料衡算1. 物料衡算的内容（1）原料消耗的计算 发酵原料为木薯干含淀粉68，水分13（2）中间产品 糖化醪，酒母醪，发酵醪等。（3）成品酒精，副产品以及废气、废水、废渣即杂醇油、二氧化碳和废糟等。2. 工艺流程示意图生产工艺采用双酶糖化，间歇发酵，如图 木薯料 空气 种子粉碎车间 -淀粉酶空压机 斜面培养 糊化车间 糖化酶过滤器 三角瓶培养 酒母罐 发酵车间 蒸馏车间 废糟 酒精 杂醇油3. 工艺技术指标及基础数据 （1）生产规模 20000吨/年酒精。 （2）生产方法 双酶糖化，间歇发酵。 （3）生产天数 每年300天。 （4）燃料酒

43、精日产量 67吨。 （5）燃料酒精年产量 20000吨。 （6）副产品年产量 次级酒精占酒精总产量的2%。 （7）杂醇油量 为成品酒精量的0.5%。 （8）产品质量 国标燃料酒精，乙醇含量9% 以上（体积分数）。 （9）木薯干原料含淀粉68%，水分13%。 （10）-淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为150u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量300u/g原料。 （11）硫酸胺用量 8kg/t（酒精）。 （12）硫酸用量（调PH用） 5.5kg/t（酒精）。 .2原料消耗的计算1. 淀粉原料生产酒精的总化学反应式为：糖化： （1） 162 18 180发酵： （2） 180 46 44 2. 生

44、产1000kg燃料酒精的理论淀粉消耗量由（1）和（2）式可求得理论上生产1000kg燃料酒精（乙醇含量95算）所消耗的淀粉量为：100099.5%燃料酒精体积分数99.5%换算成质量分数为99.18%的食用酒精。3.生产1000kg国际燃料酒精的理论淀粉消耗量 国标燃料酒精乙醇含量在99.5（体积分数）以上，相当于99.18（质量分数），故生产1000kg食用酒精成品理论上需淀粉量为： 1752 =1(kg)4. 生产1000kg燃料酒精实际淀粉耗量实际上，整个年产过程经历原料处理、发酵及蒸馏等工序，要经过复杂的物理化学和生物化学反应，产品得率必然低于理论产率。酒精生产给各过程各阶段淀粉损失如

45、表所示：生产过程损失原因淀粉损失备注原料处理粉尘损失蒸煮淀粉残留发酵发酵残糖发酵巴斯德效应发酵酒气蒸发发酵二氧化碳带走蒸馏废槽带走总计损失假定发醇阶段系统设有酒精捕集器，则淀粉总损失率为%,故生产1000kg用酒精需淀粉量为：1746.4这个原料消耗水平达到了我国现阶段木薯原料生产酒精的先进出酒率水平。5.生产1000kg食用酒精木薯原料消耗量据基础数据给出，木薯原料含淀粉30%，故1吨酒精耗木薯量为： 1930.830%6.蒸煮醪量的计算根据生产实践,淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1:3,故粉浆量为:64367.糖化醪与发酵醪量的计算设发酵结束后成熟醪量含酒精10%(体积分数)，相当于8.0

46、1%(质量分数).并设蒸馏效率为98%，而且发酵醪酒精捕集器回收酒精洗水分别为成熟醪量的5%和1%，则生产1000Kg9%(体积分数)酒精成品有关计算如下:8.需蒸馏的成熟发酵醪量为：F1=9. 若不计酒精捕集器和洗罐用水，则成熟发酵醪量为：1343610.入蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度为：100098%11. 相应发酵过程放出 总量为：99598%12. 接种量按10%计，则酒母醪量为：12675+971.2（13.酒母醪的70%是糖化醪，其余为糖化剂和稀释水，则糖化醪量为:12675+971.2（二）年产20000t淀粉原料酒精厂总物料衡算1.前面对木薯干原料生产1000kg%，体积分数）进行了

47、物料平衡计算，以下对20000吨/年木薯干原料燃料酒精厂进行计算。酒精成品日产燃料酒精量为：20000300=66.67t，取整数67t/d实际年燃料酒精总产量为：67300=20100t/a主要原料木薯干用量107=56730t糖化醪、酒母醪、蒸馏发酵醪等日用量和每年用量均可算出，衡算结果如下表：生产1000kg燃料酒精物料量/kg每小时数量/kg每天数量/t每年数量/t燃料酒精木薯干原料糖化醪酒母醪蒸馏发酵醪二氧化碳10003428678912010056730总发酵热Q的计算： Q=Q1-(Q2+Q3) Q1=msq 式中，m每罐发酵液量，kg s糖度降低百分值， q每1kg糖发酵放热，

48、J Q主发酵期，每小时糖度降低1度所放的热量所以 Q1=48610001418.6=2034396kJ/h Q2=5Q1=101719.8 kJ/h Q3=AKC(TW-TB) 假定罐底不包扎保温层，壁温最高可达35，生产厂所在地区的夏季平均温度可查阅有关资料，现假定为32。可得出KC=33.5kJ/(m h)所以 Q3=347因为 Q=Q1-(Q2+Q3)所以 Q=1897802.7 kJ/h对数平均温度差的计算: Tm=(TF-T1)-(TF-T2)/2.3(TF-T1)/(TF-T2) （3-10）主发酵期控制发酵液温度TF为30，冷却水进出口温度分别为T1=20， T2=25 所以2.

49、热量衡算:此计算过程均以单个罐一年为研究对象:（1）. 物料带入的热量:Q1=mct =(2107108 kJ其中 C = (C木M木C水M水)/(M木M水)692712)/(187588+692712) = 3.75kJ/(kg) C水 = 4.18kJ/(kg)（2）. 物料带出的热量:Q4 = mct = (2107108 kJ成熟醪比热容(3). 过程热效应Q3:过程的热效应主要有生物合成热Qb,搅拌热Qs 和状态热.Q3 = Qb + Qs : 其中:已知每生成1kg 酒精放出热量约1170kJ , 1010 109kJ搅拌热Qs = 3600P=3600500106kJ109106

50、 109 kJ(4). 加热设备耗热量Q5:为了使简化计算,忽略设备不同部分的温度差异,则Q5 = mc(t2t1) = 500103 106 kJ500103 kg 设备总质量 设备材料比热容(5). 加热物料需要的热:Q6 = mc(t2t1) = (2107107 kJ(6). 根据热量衡算式:Q1+Q2+Q3 =Q4+Q5+Q6可知:加热(或冷却)介质传入(或带出)的热量Q2 = Q4+Q5+Q6Q1Q3 108106107108109 109 工厂一年总Q2 = 61010 kJ由此可知，整个过程需进行冷却。(7).冷却水消耗量的计算取发酵工段冷却水初温tw1，=20深井水，终温tW

51、2，=25，平均耗水量：2520=90673.8/h4. 无水燃料酒精发酵生产设备的选型 4.1 主要设备发酵罐的设计与选择 4.1.1 发酵罐选择原则及选型工业生产上对于发酵罐具有一定的要求，概括起来有下列几个方面。（1）及时移走热量。在酒精发酵过程中，酵母将糖转化为酒精，将释 放出一定数量的生物热。若该热量不及时移走，必将直接影响酵母的生长和代谢产物的转化率。 （2）有利于发酵液的排出。 （3）有利于回收二氧化碳。 （4）结构简单，易于加工制造，维修方便，耐腐蚀，操作清洗方便等。 （5）设备的制造和安装费用要低 （6）设计方法成熟，符合生产企业提出的专业要求以及本国、本地区、本单位的具体情

52、况,如水、电、汽等 钢板制酒精发酵罐采用钢板制成，钢板厚度视发酵罐HYPERLINK :/ hudong /wiki/ o 容积 容积不同而异，一般采用48毫米厚钢板制成，罐身呈圆柱形，罐身直径与高之比为1：1.1；盖及底为圆锥形成碟形；罐内装冷却蛇管，蛇管数量一般取每立方米发酵醪用不少于0.25平方米的冷却面积。蛇管可分上下两组安装，并加以固定。也有采用在罐顶用淋水管或淋水围板使水沿罐壁流下，达到冷却发酵醪的目。对于容积较大的发酵罐，这两种冷却形式可同时采用。对地处 o 南方 南方的酒精厂，因气温较高，故应加强冷却措施。有的工厂在发酵罐底部设置吹泡器，以便进行搅拌醪液，使发酵均匀。罐顶设有C

53、O2排出管和加热蒸汽管、醪液输入管。但管路设置应尽量简化，做到一管多用，这对减少管道死角，防止杂菌污染有重要作用。大的发酵罐的顶端及侧面还应设有人孔，以便于清洗。 1.产量：20000t/a 99.5%酒精2.罐公称体积：500m3 3.装液量：按90%计4.发酵周期：72h5.物料量：每天进入发酵罐的醪液为893t, 密度1080kg/m3 6.糖度降低百分值：1糖化醪与发酵醪量的计算设发酵结束后成熟醪量含酒精10%(体积分数)，相当于8.01%(质量分数).并设蒸馏效率为98%，而且发酵醪酒精捕集器回收酒精洗水分别为成熟醪量的5%和1%，则生产1000Kg9%(体积分数)酒精成品有关计算如

54、下:(1) 需蒸馏的成熟发酵醪量为：F1=所以总发酵量：F=(2) 每天发酵量： 268720000300=895733（kg）(3) 酵罐罐数的确定确定发酵罐个数N: N= EQ nt/24+1一个发酵罐可装的醪液量m： m=901080500=486t每24h进行加料的发酵罐数目： n=/486=2个发酵罐的个数： N=nt/24+1=(272)/24+1=7个式中，t 一次发酵周期所需时间，h4.1.3 发酵罐几何尺寸及全罐表面积的确定发酵罐体积： v=(/4)D(H+h13+h23) （3-1） H=1.2D （3-2） h1= 0.12D （3-3） （3-4）所以 D=8m H=m

55、 h1= h2=m式中，D罐的直径 H罐的回柱部分高度h1罐底高度 h2罐盖高度由发酵罐的基本结构尺寸，可确定全罐表面积，罐体援助部分表面积A1 罐底、罐顶表面积A2, A3分别为： A1=DH=3.148=m （3-5）A2= A3= 式中，R罐的半径所以全罐表面积为: A=A1+A2+A3=m （3-6） 4.1.4 设备材料的选择发酵设备的材质选择，优先考虑的是满足工艺的要求，其次是经济性。如激素、抗生素、有机酸发酵等，考虑到对产品质量的影响、安全性、后道工艺除铁困难或腐蚀性强等，则必须使用18-25Mo2Ti制作水解设备。为了降低造价也可在碳钢设备内衬薄的不锈钢板。而像谷氨酸发酵则可以

56、用碳钢制作发酵设备，精制时用除铁树脂除去离子。如企业实力雄厚，也可以用不锈钢制作发酵设备。绝热层材料应具有：导热系数底、体积质量低、吸水小、不易燃等特性。绝热层材料常用：聚酰氨树脂和自熄式聚苯乙烯泡沫塑料。外防护层一般采用0.7mm的不锈钢板，特别是 瓦楞型板更受欢迎。4.1.5 发酵罐的壁厚计算发酵罐罐壁厚度S的计算： S=PD2 P+C (cm) （5-1）式中 P D发酵罐内经，D=800cm A3钢的许用应力，=127 MPa 1之间，现取 C壁厚附加量（cm） C=C1+C2+C3 （5-2）式中 C1 钢板负偏差，视钢板厚度查表确定，其范围为0.131.3，现取C1 C2 为腐蚀裕

57、量，单面腐蚀取1mm，双面腐蚀取2mm，现取C2=2mm C3 加工减薄量，对冷加工=0，热加工封头=S010；现取查C3=0，代入上式 S=2.12(cm)4.2接管设计接管的长度h设计：各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100200nm，具体见表6.1。表6.1 接管长度h（mm）公称直径Dg不保温接管长保温设备接管长适用公称压力15801304020501001501670350150200167050010接管直径的确定：接管直径的确定，主要根据流体力学方程式计算。已知料的体积流量，又知各种物料的体积流量，又知各种物料在不同情况下的流速，即可求管道截面积，计算出管径。计算出

58、的管径在匀整到相近的钢管尺寸即可。也可用图算法球管径。现已排料管（也是通风管）为例计算其管径。该罐实装醪量450m，设4h之内排空，则物料体积流量Q=45036004=0.03125（ms）发酵醪流速取v=1ms；则排料管截面积为F物。 F物=Qv=0.031251=0.03125（m） （3-20） F物,管径d=0.20m=200mm （3-21）取无缝钢管213219,200mm213mm，认为适用。4.3支座的选择支座的选取：发酵工厂设备常用支座分为卧式支座和立式支座，其中卧式支座又分为支腿，图型支座和鞍型支座三种，立式支座也分为三种：悬挂支座，支撑式和裙式支座。对于公称容积为75立方

59、米以上的发酵罐，由于设备的总重量较大，应选用裙式支座。本设计的罐体容积为500立方米，故选用裙式支座。5. 发酵废醪后处理工艺燃料酒精发酵副产物主要包括酒糟液。1、淀粉质原料酒精糟处理液回用技术理论：“三个平衡和一个稳定”理论淀粉质原料酒精糟处理液回用是将酒精糟液固液分离，滤渣作饲料，滤液经处理后回用与酒精生产同时需对酒精生产工艺参数和操作方法作出调整以适应滤液的回用，确保“三个不影响”的酒精生产方法。所谓“三个平衡和一个稳定”理论是指滤液回用一段时间后，滤液中的固形物必须平衡，对生产有害的物质必须平衡，滤液生产量与生产用水量必须平衡；滤液的理化指标、微生物指标必须稳定。只有做到“三个平衡和一

60、个稳定”理论，才能保证酒精生产的正常连续和滤液回用的持续。“一个稳定、三个关键”理论：即指酒精生产原料水热处理必须以双酶工艺为前提，掌握好酒精糟液固液分离、滤液处理以及酒精生产工艺参数、工艺调整等三个关键。2、淀粉质原料酒精糟处理液回用技术的应用实践（1）切实做好原料的水热处理（2）精心挑选固液分离设备优化组合固液分离流程最大限度的去除酒精糟液固形物的去除率，降低滤液中的固形物质 木薯酒精发酵应采用“立式分离机+高效沉淀+高精度固液分离机”。（3）滤液处理 为了滤液回用于生产后，不影响淀粉向糖的转化，不影响糖向酒精的转化，必须对滤液进行处理，必须加入水质稳定剂，以稳定回用液水质稳定。（4）生产