甜高粱茎秆固体发酵制取乙醇工艺技术

国家高技术研究发展计划（863计划）

课题验收报告国家高技术研究发展计划（863计划）

甜高粱茎秆制取乙醇（2003AA514040）

课题验收报告1.4主要技术与经济指标1.4.1主要技术采用微机程序控制的固定化酵母多级流化床生物反应器，建成年产400吨乙醇生产性中试示范工程，优化工艺参数，形成大规模工业化生产的独立单元。产量：400T/y（液体发酵工艺）发酵时间：10-15h产酒率：8-10%（汁液锤度为16-22%）乙醇纯度：99.5%1.4.2采用固体发酵工艺建成年产5000吨乙醇的工业化生产示范工程产量：5000T/y（固体发酵工艺）发酵时间：100—120h（随地区、环境而异）产酒率：8-10%（茎秆锤度为16-22%）乙醇纯度：99.5%1.4.3经济指标甜高粱茎秆制取乙醇生产成本低于3200元/吨（说明：课题申报时的能源、材料费为：煤280元/吨，电0.50元/度，水1元/吨，甜高粱茎秆收购价100元/吨，劳动力400元/月。当前为：煤400元/吨，电1元/度，水1.9元/吨，甜高粱茎秆收购价160元/吨，劳动力600元/月）2.对课题考核目标调整情况的说明2.1增加采用固体发酵工艺年产5000吨乙醇能力的产业化示范工程由于纬度的变化会对甜高粱生长特性产生一些变化，同时对于甜高粱茎秆的储存也带来很大的影响，所以不同地区、不同规模应采用不同的生产工艺，固体发酵工艺适宜于小规模经济欠发达地区的推广应用。增加固体发酵工艺的产业化研究示范是为满足广大农村和经济不发达地区实现农业产业结构调整，拓宽农业就业渠道，非常必要的。2.2增加固体发酵工艺流程的规范化研究“九五”期间，在甜高粱茎秆固体发酵工艺方面已经取得了较大的进展，在本课题中主要针对甜高粱茎秆制取乙醇的产业化规模中可能遇到的障碍进行研究。2.3增加甜高粱茎秆制取乙醇工艺技术和固体发酵产业化工程配套设备的研究完善甜高粱茎秆制取乙醇固体发酵配套工程及设备

3课题任务执行情况综述《甜高粱茎秆制取乙醇》课题编号：2001AA514040、2003AA544040分为两个阶段，第一阶段的工作任务已按合同书中规定的内容完成，并于2003年11月6日，由863计划能源技术领域办和后续能源技术主题专家组主持，在北京进行了“甜高粱茎秆制取乙醇”课题阶段检查验收。专家组听取了课题组的汇报，审查了2003年度课题阶段验收材料，并于11月13日对课题执行情况进行了现场检查。检查组针对课题工艺条件与技术指标，详细检查了课题组在山东景芝酒业股份有限公司建设的甜高粱茎秆制取乙醇生产性中试工程示范现场实施情况。主题专家组一致认为，在执行课题过程中，该课题能严格按照863计划课题任务合同书的内容开展各项工作，较好地完成了课题合同中规定的本年度课题执行计划，达到阶段考核指标的要求，同意通过阶段验收，并进入第二阶段的研究工作。2003年一2005年课题进入第二阶段的研究内容，目前已完成原合同中规定的工作内容和指标，同时也完成了申请增加的工作内容，特提请验收。3.2采用微机程序控制的固定化酵母多级流化床快速发酵工艺，建成年产400吨乙醇生产性中试示范工程醇"Ml3.2.1年产400吨乙醇产品的甜高粱原料的种植3.2.2.固定化酵母设备的安装、调试、运行及制定生产工艺规程3.2.2.1固定化酵母造粒设备工作特点醇"Ml3.2.1年产400吨乙醇产品的甜高粱原料的种植流化床生物反应器内必须填充一定数量的酵母粒子，为满足固定化酵母粒子产业化生产，新研制出了TTD-ZL1型离心式固定化酵母粒子造型机，和国内其它类型产品相比，该设备具有以下特点：传动平稳，工作噪音低；粒子离心分离体转数在0-500转/分范围内连续可调，克服了机械式调速不连续的缺点；造粒直径可以根据要求，通过选择不同的粒子分离模具，实现1—5mm不同直径的制粒要求；最大生产能力：200kg/h;粒子成型率高，一致性好，操作简便。3.2.2.2TTD-ZL1型造粒机工作原理造粒机由料斗、电机、电磁调速器、传动轴、离心甩盘及粒子托盘等几部分组成，如图3—3所示。图3-3TTD-ZL1型造粒机原理示意图注：1.料斗2.电机3.电磁调速器4.空心传动轴5.离心甩盘6.粒子托盘7.粒子其基本原理是利用酵母与载体的混合体通过离心盘作离心运动，当其张力小于离心力时而断裂成珠滴，落入粒子托盘的氯化钙溶液中固化成形，实现造粒。酵母与载体的混合体由料斗、导料管进入离心甩盘以后，由于液体粘性对离心盘内壁的吸附作用而随同离心盘一起作匀速旋转运动，其线速度为：V=2nrn/60.100(m/s)式中r一离心盘半径(mm)n一离心盘转速(R/min)根据牛顿第二定律，作用于旋转液体上的离心力为：F=ma=mv2/r(N)式中：m一旋转液体的质量(kg)a一旋转液体的加速度(m/s2)经反复试验证明：形成的粒子大小和质量与离心盘线速度、离心盘孔径以及液体粘度等因素有关，当确定酵母与载体的混合体粘度和离心盘孔径以后，离心盘的线速度就成为影响粒子大小的主要因素。试验表明混合体流出甩盘的线速度越高形成的粒子越小，反之线速度越低形成的粒子就越大。通过高速摄影可以观察到，由于离心力和混合体凝聚力作用，珠滴在离开离心盘时的形状并不是马上成为圆球形，而是在平抛过程中由于离心力逐渐消失和在粒子的表面张力作用下而逐渐变为圆球状。可见粒子在空中运动的时间越长其圆度就越好。由此可选择出离心盘到粒子托盘之间的最佳垂直距离。3.2.2.3安装调试、试运行将研制的TTD-ZL1型固定化酵母造粒机，进行现场安装及调试，安装地点山东省安丘市景芝酒业集团公司国家863计划项目《甜高粱茎秆制取乙醇》中试车间，安装内容包括造粒机和附属生产设备，各设施安装完成后先进行空车运行试验，没有问题后再进行模拟运行，模拟运行过程要对系统进行运行状态和性能指标进行检测，在满足设计要求的基础上进行试生产运行。3.2.2.4（TTD-ZL1造粒机）生产工艺制备大量的固定化酵母细胞粒子需采用相应的能够实现批量生产的成套设备。该套设备包括酵母菌液的制备；海藻酸钠溶液的制备；氯化钙溶液的制备；海藻酸钠和酵母菌液的混合以及固定化酵母粒子的制取、固化等。生产工艺流程见图3-4。图3-4固定化酵母粒子生产工艺流程图3.2.3甜高粱茎秆榨汁设备及工艺流程3.2.3.1甜高粱茎秆压榨机根据甜高粱茎秆液态固定化酵母快速发酵生产性中试生产装置的生产能力，选配了三辊式单机YZ220X300型压榨机2台，其性能指标见表3-4,生产工艺流程如图3-4、3-5。表3-4甜高粱茎秆压榨机技术参数”J----------产品型号技术参数YZ220X300生产能力（kg/h）1000动力消耗（kW）12-15马力11kW进料间隙（mm）12排料间隙（mm）1榨汁率（%）370轧辊转速（n/min）16-18整机重量（kg）400外形尺寸（长X宽X高mm）820X790X790三角传送皮带（根）43.2.3.2甜高粱茎秆压榨生产工艺榨汁产量的确定取决于发酵罐的生产能力和发酵过程对甜高粱汁液的要求，按照发酵工艺，发酵罐的生物转换能力为0.5（T/h，吨/小时），所以压榨机的榨汁能力应该大于该数。单机压榨甜高粱茎秆的出汁率取65%，经计算压榨能力应该大于769kg/h。榨汁工艺流程见图3-5。流程3.2.3.3压榨机生产能力的确定用甜高粱茎秆汁液生产乙醇季节性很强，只能在甜高粱成熟期内进行生产。最好是收获的新鲜茎秆提汁。已知参数：甜高粱茎秆汁液固定化酵母快速发酵系统平均流加量为fz=0.5(T/h)；工作方式为全天24小时不间断连续生产；压榨机榨汁率为？=70%，在此取65%；确定压榨机单位时间的生产能力P(T/h、吨/小时)fzPN(T/h)◎计算PN0.5/0.65=0.769e0.8T/h要求榨汁机每小时压榨甜高粱茎秆的能力大于等于0.8吨。每压榨1吨甜高粱茎秆消耗的能源：参照压榨机说明书提供的性能指标，应该为11kWh，相当于1.35kg标煤。3.2.3.4汁液输送泵流量和离心过滤设备工作能力的确定已知：压榨机榨汁量(Zz)大于0.5T/h；汁液输送泵和离心过滤设备采取间歇式工作方式，工作能力取8倍于压榨机榨汁量，在此榨汁量等于单位时间内发酵系统的转换率Zz=fz=0.5T/h。计算单位时间汁液输送泵的输送量和离心过滤设备过滤量，Q(T/h)QN8XZz(T/h)=8X0.5=4(T/h)输送和过滤1吨原料所消耗的能源：根据所选电机的功率，两项合计为3kW,经计算能源消耗为0.375kWh，相当于0.046kg标煤。3.2.3.5消毒灭菌罐容积确定甜高粱茎秆汁液灭菌采用高温消毒方式，将罐内料液温度快速提升至115°C以上，然后在该温度保持15分钟以上。料液升温速度为u=2C/min，料液初始温度取t1=10C，t2=115C,温升差值At=t2—t1=115—10=105C，升温时间t=At/u=105/2=53mino升温时间加上温度保持时间合计为68min，在此还需要考虑原料输送至消毒罐和消毒后的原料输出全调制罐所占用的时间，先假设消毒罐的容量为1T，原料的入和出所占用的时间应为15min，所以原料在消毒灭菌罐内总的滞留时间应为68+15=83min，按照正常的生产速度，消毒灭菌总的滞留时间应该小于120min，所以容量为1T的消毒灭菌罐完全能够满足要求。每吨原料消毒灭菌消耗的热能W(kcal)：W=罐内料液量XAt=1000X105=105000kcal，相当于14.57kg标煤。3.2.3.6计量泵的确定计量泵主要用于向发酵罐内输送调制好的料液，它除了具有输送料液的能力还要能够准确地计量输送量。要求液体输送量在0—4(T/h)连续可调。3.2.4.400吨/年多级式固定化酵母流化床快速发酵设备安装、调试、试运行及制定生产工艺流程3.2.4.1400吨/年多级式固定化酵母流化床快速发酵设备工作特点该项目是以固定化细胞技术为基础，通过对乙醇酵母细胞的固定化方法进行深入细致的研究，经反复固定化酵母载体实验，解决了固定化细胞技术中普遍存在的载体机械强度低、使用寿命短等技术难题；驯化筛选了耐酸能力强、活性高的乙醇酵母；并根据乙醇酵母的生理、生化特性制定了一套适用于高技术的乙醇生产新工艺。采用该项生物技术对传统乙醇发酵工业嫁接改造后，每生产1吨乙醇可增收节支，获取经济效益300-500元左右。该项技术用于乙醇生产，还可节约大量的粮食、能源和工业用水。固定化酵母发酵技术是把活酵母细胞固定在一种载体上，发酵过程中酵母不流失，从而保证了主发酵罐的酵母浓度，它具有传统游离酵母法比拟的优点：发酵速度快、发酵率高；成熟醪酒份高、残糖低、单耗少；一次性投放菌种；酵母适应能力强；减轻劳动强度。3.2.4.2设备安装调试在确定发酵工艺的基础上，根据发酵工艺和技术要求，对整套发酵系统进行了全面系统的设计，并对所需设备进行了分类，第一类设备属于非标设备需要本厂制作或外协加工，第二类设备为常规设备，需要进行选型采购。设备调试采取分步骤进行，先局部后整体，在局部调试没有问题的情况下，再对整个系统进行全面调试。设备完成调试后，即可进行设备性能的运行测试试验，通过测试及数据分析以确定整个系统是否达到设计要求。3.2.4.3甜高粱茎秆液态固定化酵母快速发酵工艺流程甜高粱茎秆汁液主要含糖为葡萄糖，属于可发酵的单糖。本项目所采用的工艺属于单浓度液体连续快速发酵法，其工艺流程如图3-6所示。

流态化快速发酵茎秆初加工・茎秆榨汁乙醇废渣回收利用菌种包埋制粒—nz废水再利用氧化碳污水处理甜高粱茎秆收购蒸馏制粒达标废水排放图流态化快速发酵茎秆初加工・茎秆榨汁乙醇废渣回收利用菌种包埋制粒—nz废水再利用氧化碳污水处理甜高粱茎秆收购蒸馏制粒达标废水排放图3-6所示的流程是一个甜高粱茎秆全面综合利用的流程，除了制取乙醇以外，还包括有二氧化碳气体回收，蛋白质饲料制备等部分，但由于本项目规模所限，这些回收利用工程尚未列入本项目中，污水处理部分利用山东景芝酒精厂原有的污水处理系统。本工艺与九五开发的甜高粱秆综合利用工艺相比，发酵工艺由固态间歇式变成了液态连续式；酵母由一次性使用变成了长期连续使用；由于发酵面积成几何级数增加，使发酵时间由72〜96h缩短到8〜10h。本工艺与常用的液态连续快速发酵工艺相比，酵母由块状变成了粒状，省掉了酵母的安装固定工序，使生产过程得以简化；酵母由静态变成了悬浮流动状态，使料液和酵母有效接触面积和接触机会成倍增加，因此发酵速度更快，而且没有反应死角，不滋生杂菌。3.2.4.4固定化酵母连续快速发酵系统主要实验内容与结果归结上述，主要在以下几个方面进行了深入细致的实验、研究，通过不断的反复的实验、测试、分析，最终获得了较好的实验结果。（1）甜高粱茎杆汁液提取的工艺与设备方面的实验研究内容•提汁工艺参数（包括生产率、出汁率、动力消耗、注水量、汁液锤度、压榨机转速等）•汁液的特性（包括黏度、比重、锤度及与温度的关系）•茎杆储存时间的影响•渣的特性（含水量、含糖量及其它营养成份分析等）•汁液的储存方式及方法（2）固定化细胞颗粒制取的工艺与设备方面的实验研究内容•固定化细胞颗粒菌种的筛选（菌种的耐酸性、耐乙醇浓度、产率等）•包埋材料的选择•固定化细胞颗粒的物理性能（比重、粒度及分布、机械强度、流体力学特性）•固定化细胞颗粒的生物学特性（细胞密度、细胞活性、细胞的新陈代谢等）（3）流化床连续发酵的工艺与设备方面的实验研究内容•流化床连续发酵的启动与正常运行的工艺参数（包括流加流量、温度、PH、发酵时间等）•固定化细胞颗粒在发酵罐内的分布及流化状态•固定化细胞颗粒的寿命•流化床连续发酵的自动控制系统•流化床连续发酵系统的放大问题（4）实验结果：•中试规模（发酵罐有效容积）：5m3•流加速度：500L/h—1000L/h•产酒率：8.7%（v/v）[平均汁液锤度17%]平均停留时间：5—10h残还原糖量：＜0.2%生产率：7—11g/L•h生产能力：720—1680L/d转化率：＞46%4.1项目采用的技术路线和关键技术4.1.1项目技术路线4.1.1.1甜高粱茎秆制取乙醇液态发酵工艺（固定化酵母连续快速发酵系统）酵母粒子添加孔第五级发酵汁液杀菌调配缓冲第一级发酵图4-1固定化酵母连续快速发酵工艺原工艺说明:产量：年产400吨乙醇原料：甜高粱茎秆汁液发酵罐总容积5m3,5个发酵罐串联连接，构成5级连续快速发酵系统发酵菌种：固定化酵母，一次加入可连续使用，酵母费用可节省80%发酵周期：6-9小时•乙醇浓度：6~7%(v/v)[平均汁液糖度15%(v/v)]4.1.2关键技术4.1.2.1固定化酵母工艺该项技术是采用先进的细胞固定化技术改造传统的乙醇发酵工艺，增产降耗效果明显，是乙醇发酵行业的一项重大技术突破。它与传统发酵工艺相比，具有如下特点：固定化酵母可重复使用，使用期在160天以上，抗杂菌能力强；不再需要酒母培养；和批次发酵相比发酵时间从70—80小时缩短到6—9小时；该项技术适用于所有淀粉料(包括玉米、瓜干料)及糖蜜料乙醇生产厂家。•固定化细胞载体反复使用半年以上，由传统法的每天接种变为每年一次性接种。•发酵周期由传统法的72小时缩短到6—9小时。4.1.2.2固定化酵母流化床发酵工艺及中试工程技术本项目的关键技术在于采用固定化酵母工艺，使酵母粒子在发酵过程始终处于悬浮流动状态即流态化发酵状态，这一关键技术也是本项目的创新点之所在。•粒状固定化酵母及其制备的创新固定化酵母(ImmobilizedYeast)，是采用种菌及其载体包埋固定技术进行制备，本项目由于采用流态化发酵工艺，固定化酵母为圆粒状，且在发酵过程始终处于悬浮流动状态，这种固定化酵母粒子是首次在国内外的中试规模的工程中采用。根据发酵工艺