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文档简介

玉米发酵生产燃料乙醇的工艺设计CORNTOPRODUCEFUELETHANOLFERMENTATIONPROCESSDESIGN目录1概述111乙醇的性质及质量标准1111物理性质1112化学性质1113生化性1114质量标准112主要生产工艺2121合成法2122发酵法33乙醇发酵工艺731玉米的处理7311原料除杂7312原料粉碎7313原料输送732液化和糖化8321液化8322糖化933乙醇发酵9331乙醇发酵常用的微生物9332酵母生长条件9333酵母的培养工艺10334发酵乙醇的机理11335乙醇发酵工艺12336乙醇发酵的成熟指标1234空气除菌与设备124物料衡算1541原料消耗的计算15411每吨995乙醇玉米的消耗量15412每吨995乙醇淀粉酶的消耗量15413每吨995乙醇糖化酶的消耗量1542醪液量的计算1643发酵过程的计算17431发酵罐的计算17432发酵热的计算18433成熟醪发酵液中乙醇含量1944产品精制19441计算机模拟结果20442塔高与塔径21443塔T2塔板主要工艺尺寸264431溢流装置的计算264432塔板分块284433筛板计算284434筛板的流体力学验算28444塔板负荷性能图的计算2945换热器选型33451塔(T1)塔顶冷凝器(E1)33452塔(T2)塔顶冷凝器(E2)3346储罐选型34461储罐V134462其它储罐选型3447泵的选型35471泵P135472其它泵的选型3548小结35符号说明36参考文献3711概述11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。111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3518(体积分数)乙醇的物理指标熔点1141沸点783相对密度水1079相对蒸气密度空气1159饱和蒸气压KPA53319燃烧热KJ/MOL13655蒸发热KJ/L91876临界温度2431临界压力MPA638辛醇/水分配系数的对数值032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。112化学性质1)氧化作用下乙醇的变化2C2H5OHO22CH3CHO2H2OC2H5OHO2CH3COOHH2OCHOHO2CO23H2O2)碱金属,碱土金属与乙醇的作用2NA2C2H5OH2C5H5ONAH2MG2C2H5OHCC2H5O2MGH23)酸与乙醇的反应CH3COOHC2H5OHCH3COOC2H5H2O4)乙醇的脱水反应CH3CH2OHCH2CH2H2O2CH3CH2OHC2H5OC2H5H2O113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。114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11所示。表11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)960955950硫酸试验/号51060氧化时间/MIN403020醛/MG/L13302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/L55512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。121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、COH2合成乙醇等。1)乙烯直接水合发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C2H4H2OC2H5OH2)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;CH2CH2H2SO4CH3CH2OSO2OH或2CH2CH2H2SO4CH3CHO2SO2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CH3CH2OSO2OHH2OCH3CH2OHH2SO4或CH3CHO2SO22H2O2CH3CH2OHH2SO4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CH3CHOH2H3CH2OH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112MPA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)COH2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COH2混合气具有广泛的发展前景。2COH2C2H5OHH2O3COH2C2H5OHCO2由反应式可知。CO与H2的摩尔比应符合化学计量关系,COH212或11。因此实际生产中为使混合气的摩尔比恰好为12,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3CH42H2OCO24CO8H2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,为提高反应催化剂230300,78MPA催化剂3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COH2合成乙醇的关键。122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2730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6072H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810的酒母醪,每隔36H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68H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1/31/2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78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4参数基本不变,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68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051H,冷却至30后,接入培养成熟的酒母醪液,并补入温度为2730的发酵糖液进行发酵。发酵温度控制在3335的发酵。发酵时间一般为3236H,通常4050H即可送去蒸馏,成熟醪酒度为657(体积分数),发酵效率达86876。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1/31/2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1/31/2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1820,发酵温度为3335,发酵时间3036H,成熟醪酒度67。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(PH40)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1020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4050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556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859。发酵温度控制在3035发酵时间3648H。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2030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7075。开始连续流加浓度为3335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3334,总发酵时间在1620H,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11,而六角糖比例为优质糖蜜46,劣质糖蜜375。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。5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11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2030,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11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175180降至140150。在低压蒸发器中进一步降到105110,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07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16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(SEPARATEHYDROLYSISANDFERMENTATION,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12所示6图12稀酸二级水解工艺流程同步水解与发酵工艺SIMULATANEOUSSACCHARIFICATIONANDFERMENTATION,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13所示图13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(SIMULTANEOUSSACCHARIFICATIONANDCOFERMENTATION,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。73乙醇发酵工艺本设计选用淀粉质原料发酵乙醇。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。本设计选用玉米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31玉米的处理玉米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。311原料除杂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0CP360036000951020405079108072TGBHVB0筛面有效宽度,M;H筛面物料厚度,M,取12HD(D为物料最大直径);CPV物料沿筛面运动的平均速度,M/S,取04M/S;物料松散系数,取05;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。312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。玉米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0520MM,主轴转速为400R/MIN,电机功率55KW,外形尺寸(长宽高)8809001250313原料输送原料输送常用方法是机械输送、气流输送。81)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。32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。321液化玉米淀粉中含直链淀粉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)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31所示图31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。322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。糖化酶在玉米酒精发酵中有很大的作用,它将玉米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,玉米酒精发酵的研究资料来看,糖化酶添加量一般控制在100200U/G原料,糖化阶段的温度在5862,糖化酶最适PH为4250,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3060MIN14。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,9即降低了蒸汽消耗,又降低了工人的劳动强度。33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。331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。332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31所示。表31乙醇酵母在不同温度下的世代时间温度/810182833363910乙醇酵母世代时间/H4201103216142040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。2PH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PH4060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4850,当PH降到42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384,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5055左右,适宜于酵母菌的繁殖和发酵。但为了保证酵母菌繁殖,并一直杂菌生长,生产中常将酒母糖化醪的PH控制在404517。3培养基酵母的生长需要各种营养,在培养基的制备上必须首先满足酵母生长和发酵的需求,并在此基础上,考虑各组成配比及成分对酵母的影响。这里介绍以下几种因素的影响。糖化醪浓度的影响。酵母的生长速度与细胞内和糖化醪的渗透压之差有关,两者之间的渗透压差越大,酵母增殖得越快。所以,淀粉质原料生产乙醇所用的酒母糖化醪在可能的情况应较发酵用糖化醪稀在两个百分点左右。无机酸和有机酸的影响。亚硫酸、亚硝酸和氢氟酸及他们的盐类,即使在很低浓度时(二氧化硫浓度为00025,亚硝酸盐在00005),都会阻碍酵母的正常生长。在浓度为03506的硫酸溶液中,经过15MIN,所有酵母都能保持其生命活力,经24H也只能有2的死细胞。乳酸菌在015的硫酸溶液中,经过2H就死亡,而在05的硫酸溶液中,经2H全部细菌死亡。但野生酵母也能在13的硫酸溶液中忍耐2H18。游离的有机酸对酵母有较大的抑制作用。丁酸和己酸的一致作用最为强烈。但PH降到4时,酵母对挥发酸的敏感性最强。糠醛、氨基糖扥的影响。尤其对于纤维质原料的酸水解液中,如果醪液中存在糠醛时,出牙的细胞数会减少,细胞也较小。即使微量的糠醛也会造成从糖蜜发酵醪中分离得到的面包酵母的麦芽糖酶和酒化酶活力的降低。乙醇酵母细胞表面具有负电荷,因此,它将具有正电荷的氨基糖分子吸附在自己的表面。随着PH的降低,酵母细胞的负电荷加强,氨基糖的吸附量也随之曾加。氨基糖是得酵母变成褐色,并促使酵母细胞死亡。当醪液氨基糖含量从0005G/100ML增加到03G/100ML时,经24H,酵母细胞数降低031倍14。333酵母的培养工艺乙醇发酵所需酵母的接种量一般为10,对于大型发酵罐来说,所需的酵母量是很大的。所以必须进行扩大培养才能满足生产的要求。酵母的扩大培养通常可分为两部分进行第一部分从斜面军中逐级扩大到卡氏罐(或大三角瓶),有的企业一直到小酒母,这一部分是是在纯培养条件下进行,即严格保证该过程不受杂菌的污染;第二部分从小酒母,有时从中酒母开始,一直到大酒母,该过程是在限制杂菌的条件进行,即是杂菌尽可能少进入培养基中,同时创造有利于酵母生长的条件,这个过程称为自然纯培养过程。下面就酵母扩大培养的过程和详细介绍。1纯培养过程该过程是酵母扩大培养的基础,生产上希望该阶段培养得到细胞健壮,没有杂菌的种子酵母。因此,无菌操作要求严格,酵母培养基的成分也高。一般多采用米曲汁或麦芽汁作为培养基,其中含有丰富的碳、氮及其它营养物质,很适合酵母的生长繁殖,这里先简单介绍培养基的制备。麦芽汁培养基。将麦芽磨碎后,加水,于5560糖化4H,再过滤,将滤液调整至1012BX。其它做法同米曲汁。米曲汁或麦芽汁的PH一般控制在445左右。该阶段的流程表示如下原始菌种原始菌种是指保藏的酵母菌种。它们是经过纯种分离的优良酵母菌种。保藏时间长的原菌,应接入新鲜斜面试管进行活化,以便使酵母处于旺盛的生活状态。斜面菌种培养将活化后的酵母菌在无菌的条件下接入新鲜斜面试管,在恒温培养箱中2830下培养34天待斜面生长出白色菌苔,即培养成熟。原始出发菌种斜面菌种液体试管三角瓶培养卡氏罐培养11液体试管培养在无菌条件下,有接种针自西面菌种试管挑选一环酵母菌体,接入装有10ML米曲汁的液体试管,摇匀后,于2830后恒温培养24H,即培养成熟。三角瓶培养三角瓶培养阶段,可视其容量选用不同的培养基。如用250ML,可装入100ML米曲汁,如用3000ML大三角瓶,可装入米曲汁和经过过滤的酵母糖化醪各500ML,灭菌后备用。接种时,应先用乙醇消毒液消毒瓶口,在无菌条件下,将液体试管全部接入三角瓶中,2830条件下保温培养1520H,即可成熟。卡氏罐培养卡氏罐培养也可以用大三角瓶代替。卡氏罐培养基可使用糖化醪,以使酵母逐渐适应培养条件。该接种过程基本同三角瓶培养,在无菌条件下,将三角瓶培养液接入罐内,在2830下培养1520H即可。2自然纯培养过程该阶段主要工艺流程如下卡氏罐小酒母罐大酒母罐成熟酒母醪进入该阶段后,要使用大量的培养基,如果继续使用米曲汁或麦芽汁就不经济了。生产上这一阶段的酒母培养基多采用酒母糖化醪。制造酒母糖化醪的原料以玉米为最好,因为玉米中除了含有大量淀粉外,还含有丰富的蛋白质等,能满足酵母繁殖所需的营养,另外,玉米的无机盐和维生素颔联也很丰富,所以,当用玉米为原料时,不需补加其它营养物质。此外,还要对糖化醪进行杀菌、调酸处理。糖化醪中存在着产酸的细菌,所以一般糖化醪还要加温至8590杀菌1530MIN,以杀死细菌的营养体。生产中常将糖化醪PH调到4045,以抑制产酸细菌对酵母的污染。对菌种的陪培养有几种不同的方法,有间歇培养、半连续培养、连续培养。本文采用间歇培养,并对其进行简单介绍。间隙培养法分为小酒母罐和大酒母罐两个阶段进行培养。先将酒母罐刷洗干净并对罐体、管道进行杀菌后,将酒母糖化醪打入小酒母培养罐中,并接入上阶段已培养好的酵母菌。通无菌空气,使酒母与醪液混合均匀,并能溶解部分氧气,供酵母增值使用。控制醪液2830进行培养,待糖分降低4045(外观糖测定),其乙醇含量34(体积分数)左右,并且液体培养CO2冒出,即培养成熟。酒母打出后,洗刷罐体,并杀菌准备下一批酒母培养使用。间隙培养的生产效率低,但酵母质量易于控制,故仍被工厂使用17。3成熟酵母质量指标酵母的扩培不仅要有一定的数量,还要具有很好的质量。成熟酵母质量的好坏,会直接影响乙醇的产率,在实际生产中,除要求细胞形态整齐、健壮、没有杂菌、出芽多、耗糖快外,还要通过下述指标进行检查。酵母细胞数酵母细胞数是观察酵母繁殖能力的一项指标,也是反应酵母培养成熟的指标。一般成熟的酵母细胞数为1108个/毫升。出芽率酵母出芽率是衡量繁殖旺盛与否的一项指标,出芽率高,说明酵母处于旺盛的生产期。反之,说明酵母衰老。成熟的酵母出芽率要求在1530。如果出芽率低,说明培养过程有问题,应根据具体情况及时采取措施进行挽救。死亡率用美蓝对酵母细胞进行染色,如果酵母细胞被染成蓝色。说明细胞已死亡。正常培养的酵母不应有死亡现象,如果死亡率在1以上,应及时查找原因,采取措施。耗糖率酵母的耗糖率是观察酵母的指标之一。成熟酵母耗糖率一般要求控制在4050。耗糖率太高,说明酵母培养已经过“老”,反之则过“嫩”。乙醇含量成熟酵母醪中的乙醇好靓一方面反应了耗糖情况,也反应酵母成熟程度。如果酒母醪中的乙醇含量高,说明营养消耗大,酵母培养过于成熟。此时,应停止酒母培养,否则会因营养物质缺乏或乙醇含量高而抑制酵母生长,造成酵母衰老。成熟酒母醪中乙醇含量一般在34(体积分数)。酸度测定酒母醪中的酸度是判断酒母醪是否被细菌污染的一项指标。如果成熟酒母醪中酸度明显增高,说明酒母被产酸细菌污染。酸度增高太多,镜检时又发现有很多杆状细菌,则酒母醪不易作为发酵种子使用。334发酵乙醇的机理乙醇发酵作用,就是酵母菌把可发酵性的糖经过细胞转化生成乙醇与CO2,然后通过细胞膜将这些产物排出体外的过程。从酵母菌体中可以分离出二三十个酶,但直接参与乙醇发酵的只有十多个。与乙醇发酵有关的有两类一类是水解酶,另一类是糖乙醇转化酶。水解酶是一类可以将简单的碳水化合物、蛋白质等物质加水水解,生产更简单的物质酶。酵母12主要含有的水解酶有蔗糖酶、麦芽糖酶和肝糖酶。糖乙醇转化酶是参与乙醇酶发酵的各种酶和辅酶的总称。它主要包括己糖激酶、氧化还原酶、烯醇化酶、脱羧酶和异构酶等。它们都是胞内酶。在这些酶的顺序作用下,糖分最终被转化为乙醇。335乙醇发酵工艺乙醇发酵工艺分为间歇发酵、连续发酵和半连续发酵三种。根据本工艺年产量,选择间歇发酵法中的一次加满法,以下对其进行简单介绍。一次加满法。该法是将糖化醪冷却到2730后,送进已经清洗、灭菌的发酵罐中,一次加满,同时加入10的酒母醪,经6072H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,发酵迟缓期延长,初始生长和发酵速度低的缺点。但该法较适用于小型发酵工厂使用。336乙醇发酵的成熟指标乙醇发酵醪成熟指标的控制是生产中一项重要工作。如果控制恰到好处,不但可以提高设备利用率。增加乙醇产量。而且可以大大降低原料消耗,提高淀粉出酒率。发酵醪的成熟虽然与发酵时间。醪液浓度。发酵温度、酵母接种量和发酵方式等因素有关,但最终主要有表32所列的几项指标来控制。表32发酵醪的成熟指标项目间歇发酵镜检酵母形态正常无杂菌外观精度/BX05以下还原糖/03以下带渣总糖/1以下滤液总糖/07以下乙醇含量(体积分数)/810总酸总酸不超过05挥发酸01015淀粉乙醇产率和淀粉利用率是衡量整个乙醇生产的综合指标,其高低与原料消耗有直接关系。提高乙醇产率是发酵乙醇生产企业的重要任务34空气除菌与设备1)空气除菌生物加工过程中,由于所用菌种的生产能力的强弱、生长速度的快慢、发酵周期的长短、分泌物质的性质、培养基的营养成分和PH的差异等,对所用空气质量有不同的要求。一般来说,生物加工过程中应用的“无菌空气”,是指通过除菌处理是空气中的含菌量降低到某一水平,从而是污染的可能性降低至极小。根据生物产品的不同,可以按染菌概率103106来表示无菌过程度。2)灭菌方法空气除菌就是除去或灭杀空气中的微生物。常用的除菌方法有介质过滤、辐射、化学药品、加热、静电吸附等。其中辐射杀菌、化学药品杀菌、干热杀菌灯都是讲有机体蛋白质变性而破坏其活力,从而灭杀空气中的微生物。而介质过滤和静电吸附方法则是利用分离方法将微生物粒子除去。生物工程所需的无菌空气要求甚高,用量大,故要选择运行可靠、操作方便、设备简单、节省材料和减少劳动消耗的有效除菌方法。本设计采用介质杀菌去除空气中的细菌。现对介质过滤除菌做简要介绍。过滤除菌法事使含菌空气通过过滤介质,以阻截空气中所含微生物,从而取得无菌空气的方法,是目前生物加工过程最常用的获得大量无菌空气的常规方法。常用的过滤介质按空隙的大小可分为两类一类是介质间空隙大于微生物直径,故必须有一定厚度的介质虑层才能达到过滤除菌的目的,这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料(烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料);而另一类介质的空隙小于细菌,含细菌等微生物的空气通过介质,微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌,有时称为绝对过滤。绝对过滤在微生物工程中的应用逐渐增多,它可以除去02UM左右的粒子,故可以把微生物全部过滤除去。从经济性、可操作性、有效性等方面考虑,生物加工过程的无菌空气基本上采用介质过滤的方法进行。133)空气过滤除菌的流程要保持过滤器在比较高的效率下进行过滤,并维持一定得气流速度和不受油、水的污染,需要一系列的加热、冷却及分离和除杂设备来保证。下面是空气过滤除菌的流程。两级冷却、加热除菌流程是一个比较完善的空气除菌流程(图32),可适应各种气候条件,能充分分离油水,使空气在低的相对湿度下进入过滤器,以提高过滤效率。该流程的特点是两次冷却、两次分离、适当加热。两次加热、两次分离油水的好处是能提高传热系数,节约冷却水,油水分离得比较完全。经第一冷却器冷却后,大部分的水、油都已结成较大的颗粒,且雾粒浓度较大,故适宜用旋风分离器分离。第二个冷却器使空气进一步冷却后析出一部分较小雾粒,宜采用丝网分离(除沫)器分离,这样发挥丝网能够分离较小直径雾粒和分离效率高的作用。通常,第一级冷却到3035,第二级冷却到2025。除水后,空气的相对湿度相对较高,需用丝网分离器后的加热器加热空气,使其相对湿度降低至5060,以保证过滤器的正常运行。两级冷却、加热除菌流程尤其适用潮湿的地区,其他地区可根据当地的情况,对流程中的设备进行适当增减。一些对无菌程度要求比较高的微生物工程产品,均使用如图32的流程19。1粗过滤器;2压缩机;3储罐;4,6冷却器;5旋风分离器;7丝网分离器;8加热器;9过滤器图32两级冷却、加热除菌流程4)除菌设备的选型粗过滤器安装在空气压缩机前的粗过滤器,其主要作用是捕集较大的灰尘微粒,防止压缩机受损,同时也可减轻总过滤器的负荷。粗过滤器一般要求过滤效率高、阻力小,否则会增加空气压缩机的吸入负荷和降低空气压缩机的排气量,常用的粗过滤器有布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除尘等。本设计选用CH型袋式过滤器,主要因为布袋过滤器结构最简单,只要将滤布缝制成与骨架结构相同的布袋,紧套于焊在进气管的骨架上,并缝紧所有会造成短路的空隙。他的过滤效率和阻力损失主要视所选用的滤布结构情况和过滤面积而定。布质结实细致,则过滤效率高,但阻力大。最好采用毛质绒布效果最好,现多采用合成纤维滤布、无纺布。气流速度越大,则阻力越大,且过滤效率越低。气流速度一般为225M3/M2MIN,空气阻力大约为6001200PA。滤布要定期清洗,以减少阻力损失和提高过滤效率。空气压缩机本设计选用IHISULLAIR离心式空气压缩机,离心式空气压缩机一般的由电机直接带动涡轮,靠涡轮高速旋转时所产生的“空穴”现象,吸入空气并使其获得较高的离心力,再通过固定的导轮和涡轮形成机壳,使部分动能转变为静压后输出。离心式空气压缩机具有体积和重量都小而流量很大、供气均匀、运转平稳、易损部件少、维护方便、获得的空气不带油雾等特点,是非常理想的生物加

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