木薯生产乙醇.doc

题目：木薯生产乙醇题目：Cassava for ethanol production 作者：张博 材料化学4班 学号：33090415一：立项依据与研究内容（一）美国、巴西燃料乙醇产量高居世界榜首早在20世纪30年代，燃料乙醇就被开发作为车用燃料。20世纪70年代的两次石油危机，促使巴西和美国率先推行燃料乙醇发展计划，加拿大、法国、西班牙和瑞典随之效仿，形成了一定规模的生产和应用市场。近年来不断攀升的高油价进一步促进各国政府积极推动燃料乙醇的发展，美国、欧盟和亚洲等国的生物燃料政策发生重大变化，大幅提高生物燃料的发展目标，同时加大政策支持力度，推动燃料乙醇产能扩大，产量迅速增长。2006年世界燃料乙醇产量达到380亿升（按1加仑=3.79升换算，以下同），相当于全球汽油消费量的2.5%，比2000年产量增长95.9%。预计2007年世界燃料乙醇产量可达440亿升。世界燃料乙醇的生产主要集中在美国和巴西，两国燃料乙醇产量占世界总产量的90.5%。美国现已超越巴西成为世界最大燃料乙醇生产国，2006年乙醇产量为183.8亿升，巴西乙醇产量为160亿升。美国2007年底通过的新能源法规定，乙醇年使用量到2012年将达到75亿加仑（284亿升），2022年将进一步增至360亿加仑（1363亿升），其中以玉米为原料的乙醇最多不超过150亿加仑，而纤维素乙醇产量必须达到160亿加仑。巴西燃料乙醇生产成本最低，是世界上目前乙醇和汽油混配比例最高的国家，也是世界最大的燃料乙醇出口国。巴西2013年乙醇产量预计将达到350亿升。截至2007年9月，欧盟生物乙醇产能已达到32.76亿升。预计2010年生物燃料在其运输燃料中所占比重将达到5.75%，2020年进一步增至10%。在亚洲，中国、日本、印度、印尼和菲律宾等也纷纷制定推广燃料乙醇发展规划，其中中国和印度的燃料乙醇生产已初具规模。 （二）上世纪末我国实行改革开放后，农业生产快速发展，粮食生产相对过剩，国家在粮食生产和储备方面的负担日益加重，农民收入增幅趋缓。交通基础设施的逐渐完善和汽车工业快速发展使我国汽车保有量逐年增多，尾气污染日益严重，环境保护压力日渐加大。与此同时，随着对能源需求的增加，我国从石油净出口国变为净进口国，石油资源匮乏和能源安全问题已引起国家的高度重视。为了统筹解决我国经济社会发展中存在的上述问题，特别是为促进农民增收，我国借鉴巴西、美国等国家的成功经验，有组织地进行了燃料乙醇和车用乙醇汽油的研究和试点应用参考文献：1 刘 健,陈洪章,李佐虎. 木糖发酵生产乙醇的研究J. 工业微生物,2001,31(2):36-412 Yan L, Tanaka S. Ethanol fermentation from biomass resources:Current state and prospectsJ. Applied Microbiology and Biotechnology, 2006, 69(6) :627-6423 Parveen K, Diane M B, Michael J D. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel productionJ. Industrial and Engineering Chemistry Research,2009, 48 :3713-37294 钱名宇,张 晶,李学凤,潘亚平,杨秀山. 木质纤维素稀酸水解液游离细胞乙醇发酵J. 太阳能学报, 2004, 27(4) :340-3445 黄 薇,程可可,张建安,张富春. 木糖发酵生产酒精的研究进展J. 现代化工,2007,27(2):78-81 二：项目研究内容，研究目标，解决的问题(1) 研究内容将木薯在微生物作用下生成乙醇 (二)研究目标如何做到经济利益和生产过程的高效如何做到生产过程的环保如何增强生产过程的科技创新力 (三)拟研究的关键性问题生产乙醇的流程工艺生产过程的条件控制原料的来源和厂址的选择三：拟采取的研究方案和可行性分析1. 研究方案 无水乙醇是一种应用很广泛的有机溶剂，是一种可再生的生物能源。其中燃料乙醇被认为是替代和节约汽油的最佳原料之一，能和汽油以一定的比例混配成一种车用原料。乙醇的生产有化学合成法和生物发酵法，随着全球石油的缩减，化学合成已受限制，生物发酵生产乙醇受各方推崇和应用。生物发酵法是利用淀粉质原料或糖质原料，在微生物作用下生成乙醇的方法。淀粉质原料生产乙醇过程包括：原料粉碎、蒸煮糖化、酒母制备、发酵及蒸馏精制等工序。2、燃料乙醇2.1乙醇性质 酒精是一种无色透明、易挥发，易燃烧，不导电的液体。有酒的气味和刺激的辛辣滋味，微甘。学名是乙醇， 分子式C2H6O，（酒精燃烧C2H5OH3O2=2CO23H2O）因为它的化学分子式中含有羟基，所以叫做乙醇，比重0.7893(204)。 乙醇的分子量：46外观与性状： 无色液体，有酒香。 燃点：75 熔点：-114.1 沸点（一标准大气压下）： 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 爆炸上限%(V/V)： 19.0 爆炸下限%(V/V)： 3.3 2.2类别和主产品 工业乙醇（该方案的产品是燃料乙醇）工业酒精含乙醇96%以上，还含少量甲醇和其他物质。 甲醇是有害的。它可以挥发，对呼吸系统有害。有人用工业酒精（含甲醇的乙醇）做酒，饮用后可导致失明。 食用乙醇：食用酒精使用粮食和酵母菌在发酵罐里经过发酵后，经过过滤、精馏来得到的产品，通常为乙醇的水溶液，或者说是水和乙醇的互溶体，食用酒精里不含有对人体有毒的苯类和甲醇。 药用乙醇：乙醇含量在75左右无水乙醇：无水乙醇的酒精含量极高，分为化学纯和分析纯，化学纯的含量大于等于99.5%，分析纯的含量在99.9%以上。 燃料乙醇是指未加变性剂的、可作为燃料用的无水乙醇。燃料乙醇可缓解能源紧张，减少环境污染，促进农业发展。3、生产工艺3.1总流程 双酶糖化间歇（或连续）发教酒精流程示意图a-淀粉酶 糖化酶 薯干粉碎机调浆罐连续蒸煮器蒸煮醪糖化锅 废槽 酒精分子筛脱水 蒸馏成熟发酵醪发酵醪糖化醪杂醇油 酵母种斜面试管摇瓶培养小酒母罐大酒母罐 空气空压机过滤器无菌空气 酒母醪32原料及原料预处理3.2.1原料 薯干：含淀粉68，水分13，直接从市场购买。水：包括粉料液化糖化用水、发酵用水、蒸馏车间用水和清洗用水等，都利用城市自来水或是自来水经过一系列灭菌消毒的无菌水。淀粉酶和糖化酶：a-淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为100u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量200u/g原料。硫酸和硫酸铵等：硫酸铵用量8kg/t（酒精），硫酸用量（调pH用）5.5kg/t（酒精）。乙醇酵母：发酵用的菌种，将糖化醪发酵产生乙醇、CO2和其他副产物。3.2.2原料预处理 薯干预处理示意图原料薯干筛选浮选磁选破碎制浆液化（糊化） 纤维、泥沙 石块、砖块 铁杂 糖化 冷却 糖化酶3.2.2.1原料除杂和粉碎（1）淀粉质原料在收集时，会混进沙土、杂物，甚至金属夹杂物等。一般采用先振动筛筛选，再磁力除铁器磁选以除去杂质。（2）淀粉质原料中淀粉颗粒常以颗粒状态储存于细胞中，不宜被直接利用。粉碎后有利于增加原料表面积，加快吸水速度，缩短水热处理时间；有利于淀粉酶的作用，提高淀粉的转化率，同时有利于原料在生产过程中的输送。粉碎方法有干式粉碎和湿式粉碎，此次采用湿式粉碎进行生产（3）由粉尘损失造成的淀粉损失率约为0.40。3.2.2.2水热处理（液化）和连续蒸煮糖化（1）淀粉的液化：是利用淀粉液化酶使糊化的淀粉黏度降低，并水解成糊精和低聚糖的过程。 使用耐高温的a-淀粉酶，采用95的处理温度，使用普通a-淀粉酶，采用85处理温度。现采用低压喷射液化器来完成淀粉的液化。调浆温度为50，喷射液化器使粉浆迅速升温至105 ，进入维持管保温液化58min，真空闪急蒸发冷却至95 进入液化罐反应约60min后，进真空冷却器冷却至63 后糖化30min。低压喷射液化处理工艺 粉料加水制浆喷射液化保温液化冷却糖化 a-淀粉酶 蒸汽 （2）淀粉的糖化：是利用糖化酶将淀粉液化的产物进一步水解成葡萄糖的的过程，并为发酵提供含糖适量并保持一定酶活力的无菌或极少杂菌的醪液。 糖化温度一般根据糖化酶的最适作用温度进行控制，即5860为宜，糖化酶作用的最适pH为4.25.0。醪液的pH太高或太低都将破坏酶的活力，不利于糖化。 糖化酶用量一般为每克淀粉使用80150U，视原料品种、糖化方式等定量。 糖化时间不宜过长，一般在1525min的范围，也可以根据糖化醪进行调控，即以产生2535的还原糖的时间为宜。蒸煮糖化中由于淀粉残留及糖分破坏造成的淀粉损失约为0.40。3.2.2.3乙醇酵母的培养 麦芽汁 麦芽汁 麦芽汁 糖化醪琼脂 酵母斜面试管液体试管三角瓶培养卡氏罐培养小酒母罐培养大酒母罐培养发酵罐 糖化醪 乙醇酵母的培养（酒母1：10扩大培养）（1）原菌种斜面培养：麦芽汁琼脂，2530培养35天（冰箱4保存备用）。（2）液体试管：10Bx麦芽汁，灭菌冷却至2530，无菌接种置2530培养20h。（3）三角瓶培养：1/3麦芽汁和2/3糖化醪， 2530培养1214h，pH46（4）卡式罐培养：糖化醪，2530培养1214h，pH46（5）小酒母罐、大酒母罐培养：糖化醪，2530培养1214h，pH463.3乙醇发酵 菌种：乙醇酵母； 培养基：薯干糖化醪发酵醪； pH:4.24.5;（1）前发酵期：醪液中酵母密度小，酵母进行适应，发酵作用不强。实际生产时，酒母量在10左右，前发酵期时间为68h，连续发酵时，前发酵期基本不存在。（2）主发酵期：酵母不再大量繁殖，而主要进行乙醇发酵，发酵作用强烈，糖分消耗迅速，乙醇逐渐增加。主发酵温度控制在3034 不得高于3435，发酵时间一般为1215小时。（3）后发酵期：醪液中的糖分已大部分被发酵，但醪液中残存的糊精等多糖成分继续被转化为可发酵性糖，酵母把它转化为乙醇。后糖化作用速度比糖发酵速度要慢得多，乙醇和CO2生产量减少，表观看来气泡不断产生，但醪液不再翻动。后发酵期一般需40小时左右才能完成，保持醪液温度在301 。（4）发酵过程中的淀粉损失率：发酵残糖1.3巴斯德效应4.0酒气自然蒸发与被CO2带走0.30 （若有酒精捕捉器，损失为0.30）3.4分离纯化和蒸馏精制分离纯化工艺流程图发酵罐泵醪塔浓缩塔粗酒精分子筛塔A、B冷凝 蒸汽 蒸汽 无水乙醇过程中的淀粉损失率：（1）废槽带走等1.60（2）脱水损失1.03.5副产品利用和废水废渣处理酒精槽固液分离滤液处理澄清液回用及生物处理 滤渣饲料 泥浆4、物料衡算（1）生产方法：双酶糖化、间歇发酵、塔蒸馏。（2）生产天数：每年300d。（3）燃料酒精日产量：344t。（4）燃料酒精年产量：100200t。（5）产品质量：国际燃料酒精，乙醇含量99.5以上（体积分数）（6）主原料：薯干原料含淀粉68，水分13。（7）酶用量：a-淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为100u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量200u/g原料。（8）硫酸铵用量8kg/t（酒精），硫酸用量（调pH用）5.5kg/t（酒精）。 、原料计算糖化：（C6H12O5）n + nH2O n C6H12O6 （1-1） 162 18 180发酵：C6H12O6 2 C2H5OH + 2CO2 （1-2） 180 462 442生产1000kg燃料酒精的理论淀粉消耗量由（1-1）和（1-2）求得：1000995（kg）燃料酒精体积分数99.5换算成质量分数为99.18。生产1000kg燃料酒精的实际淀粉消耗量 表（3-1） 生产过程各阶段淀粉损失率生产过程损失原因淀粉损失率备注原料处理粉尘损失0.40蒸煮糖化淀粉残留及糖分坏0.40发酵发酵残糖1.3发酵巴斯德效应4.0发酵酒气自然蒸发与被CO2带走0.30加酒精捕集器0.30蒸馏废槽带走等1.60脱水脱水损失10总计损失9.01746.5（1009.0）=1919.2（kg）生产1000kg燃料酒精的薯干原料消耗量薯干原料含淀粉68，水分131919.268=2822.4（kg）a-淀粉酶消耗量应用酶活力为20000u/g的a-淀粉酶液化酶用量：2822.41000820000=1.29（kg）糖化酶耗量糖化酶活力为100000u/g。使用量为100u/g原料2822.41000100100000=2.82（kg）此外，酒母糖化酶用量按200u/g（原料）计，且酒母用量为10%2822.410%70%200100000=0.395（kg）式中70%为酒母的糖化液占70%。其余为稀释水与糖化剂。两项合计，糖化酶用量为3.215kg。硫酸铵耗用量作为补充氮源，其用量为酒母用量的0.1%。、蒸煮醪量的计算淀粉原料连续蒸煮的粉料加水为1:2，故粉浆量为：2822.4（12）=8467.2（kg）经喷射液化连续蒸煮,最终蒸煮醪液量为8597.4kg。、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98.4%，而且发酵罐酒精捕集器回收酒精洗水和洗罐用水分别为成熟醪液的5%和1%，则生产1000kg99.18%（质量分数）酒精成品计算如下： 需蒸馏的成熟发酵醪量为：F=100099.18%98.4%8.01%（100+5+1）100=13338.4(kg) 若不计酒精捕集器和洗罐用水，则成熟