发酵法年产5万吨乙醇的工艺设计【毕业设计论文】

浙 江 * * 学 院

毕业设计（论文）

题目：发酵法年产5万吨乙醇的工艺设计

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完 成 时 间 :

发酵法年产5万吨乙醇的工艺设计

[摘 要]：乙醇的生产过程包括原料除杂，粉碎，液化，糖化，除菌，发酵，精馏这几个主要的过程。本设计简述了从木薯原料预

处理、液化、酶糖化到发酵生产后处理整个发酵乙醇生产工艺流程，主要完成了发酵段，精馏段的计算及附属设备的选型。

[关键词]：乙醇 ；发酵；精馏

Technological Design of 50,000 tons by fermentation of

ethanol Every Year.

[Abstract]:

Ethanol production process includs these major processes: raw material impurity, grinding, liquefied, saccharification, sterilization, fermentation, distillation. The design brief pretreatment of raw materials from cassava, liquefaction,

saccharification enzyme fermentation production to post-processing the entire production process,and the major assignments are calculated fermentation, distillation section and selecting of pumps and storage tanks.

[Keywords]: Ethanol ;Fermentation; Distillation

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目 录

摘 要 ........................................................................................................... II ABSTRACT ............................................................................................... III 1 概述 .......................................................................................................... 1 1.1乙醇的性质及质量标准 ........................................................................ 1 1.1.1物理性质 ......................................................................................... 1 1.1.2化学性质 ......................................................................................... 1 1.1.3生化性 ............................................................................................. 1 1.1.4质量标准 ......................................................................................... 1 1.2乙醇生产的意义及发展史..................................................................... 2 1.2.1乙醇生产的意义 .............................................................................. 2 1.2.2乙醇生产的发展 .............................................................................. 2 1.3乙醇的应用领域 ................................................................................... 3 1.4主要生产工艺 ....................................................................................... 3 1.4.1合成法 ............................................................................................. 3 1.4.2发酵法 ............................................................................................. 4 2 建厂可行性分析 ...................................................................................... 8 2.1 需求和拟建规模 ................................................................................... 8 2.1.1原料简介 ......................................................................................... 8 2.1.2木薯原料的优势 .............................................................................. 8 2.1.3乙醇市场分析.................................................................................. 8 2.2主要建设条件 ....................................................................................... 8 2.3 环境保护及废物处理 ........................................................................... 8 2.4 企业组织管理....................................................................................... 8 2.5 资金筹措方式....................................................................................... 9 3 乙醇发酵工艺 ........................................................................................ 10 3.1木薯的处理 ......................................................................................... 10 3.1.1原料除杂 ....................................................................................... 10 3.1.2原料粉碎 ....................................................................................... 10 3.1.3原料输送 ....................................................................................... 11 3.2液化和糖化 ......................................................................................... 11 3.2.1液化............................................................................................... 11 3.2.2糖化............................................................................................... 12 3.3乙醇发酵............................................................................................. 12 3.3.1乙醇发酵常用的微生物................................................................. 12 3.3.2酵母生长条件................................................................................ 13 3.3.3酵母的培养工艺 ............................................................................ 14

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3.3.4发酵乙醇的机理 ............................................................................ 15 3.3.5乙醇发酵工艺................................................................................ 15 3.3.6乙醇发酵的成熟指标 .................................................................... 15 3.4空气除菌与设备 ................................................................................ 16

4 物料衡算 ................................................................................................ 18 4.1原料消耗的计算 ................................................................................. 18 4.1.1每吨95%乙醇木薯干的消耗量 ..................................................... 18 4.1.2每吨95%乙醇α-淀粉酶的消耗量 ................................................. 18 4.1.3每吨95%乙醇糖化酶的消耗量 ..................................................... 18 4.2醪液量的计算 ..................................................................................... 19 4.3发酵过程的计算 ................................................................................. 20 4.3.1发酵罐的计算................................................................................ 20 4.3.2发酵热的计算................................................................................ 21 4.3.3成熟醪发酵液中乙醇含量 ............................................................. 22 4.4 产品精制 ............................................................................................ 22 4.4.1 计算机模拟结果 ........................................................................... 23 4.4.2塔高与塔径 ................................................................................... 24 4.4.3塔(T-2)塔板主要工艺尺寸 ............................................................. 29 4.4.3.1 溢流装置的计算 ........................................................................ 29 4.4.3.2 塔板分块 ................................................................................... 31 4.4.3.3 筛板计算 ................................................................................... 31 4.4.3.4 筛板的流体力学验算................................................................. 31 4.4.4 塔板负荷性能图的计算 ................................................................ 32 4.5换热器选型 ......................................................................................... 36 4.5.1塔（T-1）塔顶冷凝器（E-1） ...................................................... 36 4.5.2塔（T-2）塔顶冷凝器（E-2） ...................................................... 36 4.6储罐选型............................................................................................. 37 4.6.1储罐(V-1)....................................................................................... 37 4.6.2其它储罐选型................................................................................ 37 4.7泵的选型............................................................................................. 37 4.7.1泵(P-1)........................................................................................... 37 4.7.2其它泵的选型................................................................................ 38 4.8小结 .................................................................................................... 38 5 全厂总平面设计 .................................................................................... 40 5.1总平面设计任务及内容 ...................................................................... 40 5.1.1总平面设计任务 ............................................................................ 40 5.1.2工厂组织 ....................................................................................... 40 5.2总平面设计原则 ................................................................................. 40

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③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6-8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。 ①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0.5-1h，冷却至30℃后，接入培养成熟的酒母醪液，并补入温度为27-30℃的发酵糖液进行发酵。发酵温度控制在33-35℃的发酵。发酵时间一般为32-36h，通常40-50h即可送去蒸馏，成熟醪酒度为6.5%-7%（体积分数），发酵效率达86%-87%[6]。

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1/3-1/2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1/3-1/2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18%-20%，发酵温度为33-35℃，发酵时间30-36h，成熟醪酒度6%-7%。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（pH4.0）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10%-20%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40%-50%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5.5%-6%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8.5%-9%。发酵温度控制在30-35℃发酵时间36-48h。

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20%-30%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7.0%-7.5%。开始连续流加浓度为33%-35%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33-34℃，总发酵时间在16-20h，发酵醪乙醇含量在9%（体积分数）以上。

②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。

③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。

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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1:1，而六角糖比例为优质糖蜜4:6，劣质糖蜜3:7[5]。

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。

①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1.1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20%—30%，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]。

原料粉碎浓酸浓酸预处理半纤维素水解固液分离纤维素水解稀酸浓缩水解液糖酸分离固液分离木质素利用水解液中和乙醇发酵图1.1 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175-180℃降至140-150℃。在低压蒸发器中进一步降到105-110℃，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0.7%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1.6%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。

②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（Separate hydrolysis and fermentation ,SHF）。本工艺特点是纤维素水解和

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水解液乙醇发酵是分别在不同容器内单独进行的。早期的纤维质原料都是采用这种工艺。工艺流程

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如图1.2所示

原料粉碎一级稀酸水解二级稀酸水解固液分离固液分离木质素利用水解液糖酸分离水解液中和酒精发酵图1.2 稀酸二级水解工艺流程

同步水解与发酵工艺(Simulataneous saccharification and fermentation,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1.3所示

原料粉碎原料粉碎水解液中和水解液中和原料粉碎

图1.3 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（Simultaneous saccharification and co-fermentation,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

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步简化了流程。

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2 建厂可行性分析

2.1 需求和拟建规模 2.1.1原料简介

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。木薯已被世界公认具有很大发展潜力、很有前途的乙醇生产的可再生资源。近年来，随着木薯原料用于生产乙醇逐渐受到人们的重视，国内外学者都致力于木薯生产乙醇工艺的研究。 2.1.2木薯原料的优势

国外研究机构比较过一些作物发酵法生产乙醇的产出率，在几种主要的乙醇原料作物中，单位面积土地的乙醇产出率以木薯最高，甘蔗次之。

木薯是取代玉米等原料生产乙醇的理想替代物，开发木薯乙醇资源前景看好。在同样土地资源条件下，种植木薯可比种植玉米多产近2倍乙醇。利用木薯进行乙醇生产，整株作物无废料，利用效率很高。

大型木薯乙醇厂的固定资产投入与销售收入之比为1：5，建设周期短，投放少，投资回收快，效益高。另外，现有糖厂用糖蜜生产乙醇的闲置设备经改造后即可用于木薯乙醇加工。 2.1.3乙醇市场分析

乙醇工业在国民经济中占重要的地位，乙醇广泛应用于酿酒行业、化工行业、橡胶工业、油漆涂料工业、电子工业、照相胶片及纸浆生产行业、医药行业、香料工业、化妆品行业等。最具发展前景的是，随着石油等不可再生能源日趋紧张，乙醇作为一种可以再生的能源—车用乙醇汽油的大面积推广，乙醇工业在世界经济的地位将越来越重要[10]。 2.2主要建设条件

本厂采用本地电网供电，可以避免为建设动力设备而增加的额外投资，而且陕南水电资源丰富，可以确保生产的连续性。

本设计采用发酵法制取乙醇，并将酒糟水解重新利用，酒糟过滤除杂后，用粗制复合酶重新水解，作为营养液加入到拌料罐重新回收发酵，进行再生产，环境污染小，资源得到了合理的利用，经济上也是可行的。

总之，本设计无论从原材料、动力供应，还是从交通运输等方面考虑，拟建厂址所在地都比较合适。再者，从厂址所在地的经济发展、自然条件的利用都符合我国的国情和西部大开发这一主题。 2.3 环境保护及废物处理

随着世界特别是我国环境的明显恶化，国民的环境保护意识逐步提高，为了我们生存环境，为了我们自己，为了我们的子孙后代，必须保护环境。

废水处理是发酵工业一直头疼的问题，这不仅增加了生产成本，甚至有时处理不好还会造成环境污染。酒糟不仅含有酵母没有利用完全的还原糖，而且含有不少糖化过程残留的大量残余总糖，甚至含有大量酵母生长所必需的营养物质。目前几乎所有的发酵行业对酒糟只是简单进行了沼气生产或转化为廉价的肥料，甚至有的直接排放，造成了极大的浪费，处理不好还会对环境造成污染。可以对酒糟水解重新利用，酒糟过滤除杂后，用粗制复合酶重新水解，作为营养液加入到拌料罐重新回收发酵，进行再生产，不仅可提高原料的利用率，降低生产成本，而且还可节约水资源和能源，提高其经济效益。

对污染源、废水、废气、废渣、噪音粉尘烟等的具体防止和处理方法主要依据《环境保护法》及相应的可行性研究、环保报告和初审意见来确定。 2.4 企业组织管理

拟建厂有厂部领导及其下属的科室和车间组成，技术人员主要从离校毕业生和相关企业的有工作经验人员中招聘，劳动工人从本地区招收。普通工人的技能由本厂技工带领培训。企业内部按照有利于发展生产，有利于充分利用人力资源、术、装备、资金，有利于宏观调控微观搞活，有利于

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调动各个方面的积极性，有利于提高经济效益的原则，在划小核算单位的基础上下放权利，实行分级分权管理。 2.5 资金筹措方式

采用部分国家贷款，部分自筹资金和部分银行贷款分期偿还方式，而且筹集资金可以采用职工入股的方式，使职工真正成为企业的主人，充分调动职工的积极性。

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3 乙醇发酵工艺

本设计选用淀粉质原料发酵乙醇。淀粉质原料包括薯类原料（甘薯、马铃薯、木薯、等）。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。随着陈化粮食逐步消耗殆尽和玉米价格节节攀升，考虑到玉米生物乙醇的发展可能威胁到国家的粮食安全，为此，2006年起国家停止新批玉米燃料乙醇企业，并大力鼓励发展非粮食作物为原料开发燃料乙醇。从2006年至今，在保证现有的粮食乙醇生产的基础上，我国燃料乙醇生产企业的发展主要是两个方向：一是木薯乙醇；二是纤维素乙醇。两者都属于非粮食作物，其中，木薯乙醇已处于规模化生产阶段，技术发展已相对完善；而纤维素乙醇在我国还处在试验阶段，技术还有待完善。

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，不仅产量高，淀粉含量也很高，木薯

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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。

本设计选用木薯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 3.1木薯的处理

木薯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。 3.1.1原料除杂

木薯在收获和干燥过程中，经常会掺夹进泥土、沙石、粗纤维、金属杂质等杂质，这些杂质如果没有在正式投入生产之前清除，会严重影响后续生产的正常进行。石块和金属杂质会使粉碎机的筛板磨损或者损坏，造成生产的中断；机械设备运转部位，会因泥沙的存在而加速磨损，杂物还易造成堵塞阀门、管道、泵和关键设备，使生产过程不能正常进行，泥沙等杂质也会影响正常的发酵过程。所以用木薯原料生产酒精前，必需进行除杂，以保证生产的正常进行和提高生产的效益。

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。

[12]

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。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

G?3600B0hVcp?? =3600?0.95?1?0.2?0.4?0.5?0.79 =108.072tB0——筛面有效宽度，m；

H——筛面物料厚度，m，取h?(1~2)d（d为物料最大直径）； Vcp——物料沿筛面运动的平均速度，m/s，取0.4m/s； ?——物料松散系数，取0.5；

3

?——物料的密度，kg/m。

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]。 3.1.2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

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被直接利用。所以原料粉碎是原料处理的关键步骤之一。木薯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α-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

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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300～1000kg/h， 粒度100mm， 粉碎细度0.5～20mm， 主轴转速为400r/min， 电机功率5.5kw， 外形尺寸（长×宽×高）880×900×1250 3.1.3原料输送

原料输送常用方法是机械输送、气流输送。

1）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。 3.2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。 3.2.1液化

木薯淀粉中含直链淀粉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

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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。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(α-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）

淀粉液化是糖化的前提。工业生产中一般根据使用?-淀粉酶的不同，液化的工艺条件会略有不同。使用耐高温?-淀粉酶，采用95℃的处理温度，使用普通?-淀粉酶，采用85℃的处理温度。采用高温液化可以提高酶反应速度，但温度高于酶的最适作用温度时，酶活力损失加快。此外，生产中有时也添加CaCl2或CaSO4，Ca2+的存在有助于提高酶对热的稳定性，一般Ca2+浓度控制在0.01mol/L左右。?-淀粉酶的用量一般为每克淀粉使用2～10U，含单宁多的原料用量可适当增大。液化时间，一般控制在45～90min，薯类淀粉较谷类淀粉更容易水解些。淀粉液化不需要进行的非常的彻底，一般控制淀粉水解程度在葡萄糖值为10～20之间较好，液化的终点常以碘液显色控制。

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3.1所示：

粉料制浆喷射液化保温液化冷却糖化水、淀粉酶蒸汽第 11 页 共 50页

图3.1 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。

3.2.2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。糖化酶在木薯酒精发酵中有很大的作用，它将木薯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，木薯酒精发酵的研究资料来看，糖化酶添加量一般控制在100-200u/g原料，糖化阶段的温度在58-62℃，糖化酶最适pH为4.2～5.0，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30-60min[14]。

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，即降低了蒸汽消耗，又降低了工人的劳动强度。 3.3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。 3.3.1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6～11?m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：

①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； ②单位体积发酵罐中酵母密度可以高达50～100g/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；

③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

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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。 3.3.2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29~30℃。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3.1所示。

表3.1 乙醇酵母在不同温度下的世代时间

温度/℃ 乙醇酵母世代时间/h

8 42.0

10 11.0

18 3.2

28 1.6

33 1.4

36 2.0

39 4.0

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28~30℃，最适发酵温度控制在30~33℃。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

[16]

快，会导致发酵醪酸度增加，降低乙醇产率。

2)pH 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pH4.0~6.0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4.8~5.0，当pH降到4.2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3.8~4，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5.0~5.5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4.0~4.5[17]。

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。

① 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。

② 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0.0025％，亚硝酸盐在0.0005%），都会阻碍酵母的正常生长。在浓度为0.35% ~0.6%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0.15%的硫酸溶液中，经过2h就死亡，而在0.5%的硫酸溶液中，经2h全部细菌死亡。但野生酵母也能在1.3%的硫酸溶液中忍耐2h[18]。

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。

③ 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0.005g/100mL增加到0.3g/100mL时，经24h，酵母细胞数降低0.3~1倍[14]。

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3.3.3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55~60℃糖化4h，再过滤，将滤液调整至10~12°Bx。其它做法同米曲汁。米曲汁或麦芽汁的pH一般控制在4~4.5左右。

该阶段的流程表示如下：

斜面菌种 三角瓶培养 卡氏罐培养 液体试管 原始出发菌种

①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。

②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28~30℃下培养3~4天待斜面生长出白色菌苔，即培养成熟。

③ 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28~30℃后恒温培养24h，即培养成熟。

④ 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，28~30℃条件下保温培养15~20h，即可成熟。

⑤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28~30℃下培养15~20h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85~90℃杀菌15~30min，以杀死细菌的营养体。生产中常将糖化醪pH调到4.0~4.5，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28~30℃进行培养，待糖分降低40%~45%（外观糖测定），其乙醇含量3%~4%（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。

① 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。

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一般成熟的酵母细胞数为1×10个/毫升。

② 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15%~30%。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。

③ 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。

④ 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40%~50%。耗糖率太高，说明酵母培养已经过“老”，反之则过“嫩”。

⑤ 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3%~4%（体积分数）。

⑥ 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。 3.3.4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。 3.3.5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27~30℃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60~72h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。

3.3.6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3.2所列的几项指标来控制。

项 目 镜检

外观精度/°Bx 还原糖/% 带渣总糖/% 滤液总糖/%

乙醇含量（体积分数）/% 总酸 挥发酸

表3.2 发酵醪的成熟指标

间 歇 发 酵

酵母形态正常无杂菌 0.5以下 0.3以下 1以下 0.7以下 8～10

总酸不超过0.5 0.1～0.15

8

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

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3.4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10-3～10-6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0.2um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。

3）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3-2），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30～35℃，第二级冷却到20～25℃。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50%～60%，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3.2的流程[19]。 8 7 9 1 2 3 5 6 4 E-6P-31—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3.2 两级冷却、加热除菌流程

4）除菌设备的选型 ①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

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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2～2.5m3/(m2·min)，空气阻力大约为600～1200Pa。滤布要定期清洗，以减少阻力损失和提高过滤效率。

②空气压缩机

本设计选用IHI-SULLAIR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工过程供气设备。适用于生物加工过程的离心式空气压缩机是低压涡轮空气压缩机，出口压力一般为0.25～0.5MPa。低压离心空气压缩机有单级和多级，后者还可以分段。例如，两段涡轮空气压缩机每段可有多级翼轮，段与段间有中间冷却设备。输气量一般在100m3/min以上，最大的可达12000m3/min。

③空气储罐

由空气压缩机特别是往复式空气压缩机出来的空气是脉动的，在过滤器前要安装一个空气储罐来消除脉动维持罐压的稳定。储气罐的作用使压力稳定外，还可以使部分液滴在罐内沉降。 体积为

V?0.2??0.2?200?40m3

?——压缩空气流量，m3/min

3

V——储气罐的体积，m

储气罐圆筒部分的高径比通常为2～2.5。储气罐上应安装安全阀，底部应安装排污口，空气在储罐中的流向应自下而上比较好，如能在罐内放置铁丝网除雾器则更理想。

④气液分离器

空气压缩后，经过冷却会有大量水蒸气及油分凝结下来，使过滤介质受潮，从而使过滤器失效，因此尚需用气液分离器进行油水分离。所用设备一般有两类，一类是利用离心力进行沉降的旋风分离，另一类是利用惯性进行拦截的介质过滤器[20]。本研究选用旋风式分离器。

旋风式分离器是一种结构简单、阻力小、分离效果较高的气-固或气-液分离设备。旋风分离器器体上部为圆筒形，下部为圆锥形。含雾沫的气体从圆筒上侧的进气管以切线方向进入，获得旋转运动，分离出雾沫后从圆筒顶的排气管排出。油水滴自锥低落入集液斗。

气体通过进气口的速度为15m/s，所分离的离心力可以分离出小到5?m的颗粒及雾沫。排气口气流速度为5m/s，油水滴在旋风分离器中的径向速度与空气速度的平方成正比，但随回转半径的增加而减小，因此旋风分离器的进口管截面积一般比较大，筒径越小，空气的阻力也就越大。

⑤空气冷却器

常用的空气冷却用热交换器，有立式列罐式热交换器、喷淋式热交换器等。由于空气的给热系数很低，一般只有420kJ/(m2·h·℃),设计时应采用恰当的措施来提高它的给热系数，否则将需要很大的传热面积。

使用立管式换热器时，冷却水在管内流动，流速为2m/s；空气在壳内流动，流速为10m/s。为增加冷却水的流速可采用多程（一般为2～4程）换热器；同时为增加空气在壳体内流动，换热器壳体内装有若干与管束垂直的圆缺型挡板或盘装挡板[21]。若水质条件较好，如杂质少不易形成积垢时，为提高空气给热系数，壳安装空气走管内，造成多程流动以提高空气流速。

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4 物料衡算

4.1原料消耗的计算

淀粉原料生产乙醇的总化学反应式为：

(C6H10O5)n+nH2O?nC6H12O6?2C2H5OH+2CO2糖化阶段：

(C6H10O5)n+nH2O?nC6H12O6

162 18 180

发酵阶段：

C6H12O6?2C2H5OH+2CO2

180 2×46 2×44

4.1.1每吨95%乙醇木薯干的消耗量

由此可求得理论上生产1000kg无水乙醇所消耗的淀粉量为：

1000?1622?46?1760.9kg

乙醇含量95％（体积分数），相当于92.41％（质量分数），故生产1000kg成品乙醇理论上需淀粉量为：

1760.9×92.41％=1627.2 kg 而实际上，整个年产过程经历的各工序，如原料处理、发酵及蒸馏等，要经过复杂的物理化学和生物化学反应，所以产品得率必然低于理论产率。生产中各过程各阶段淀粉损失如表4.1所示

表4.1 生产中各过程各阶段淀粉损失

生产过程 原料处理 蒸煮 发酵 发酵 发酵 蒸馏

损失原因 粉尘损失 淀粉残留 发酵残糖 巴斯德效应

酒气蒸发及二氧化碳带走

废槽带走

淀粉损失 0.4 0.5 1.50 4.00

0.30（加捕集器）

1.85

发醇阶段系统设有酒精捕集器，故淀粉总损失率为8.55%,故生产1000kg乙醇需淀粉量为：

1627.21?8.55%?1779.3kg

据基础数据给出，薯干原料含淀粉70%，故1吨酒精耗薯干量为：

1779.3/70%=2541.9kg

4.1.2每吨95%乙醇α-淀粉酶的消耗量

液化时淀粉酶的添加量为：

淀粉酶规格单位

本设计选用酶活力为2000u/g的α-淀粉酶使淀粉液化，促进糊化，可减少蒸汽消耗。α-淀粉酶消耗量按8u/g（原料）计算。则用酶量为：

82541.9??10kg2000

4.1.3每吨95%乙醇糖化酶的消耗量

[22]

糖化时淀粉酶的添加量为：

用酶量=原料用量?淀粉酶用量单位第 18 页 共 50页

糖化酶规格单位

本设计选用糖化酶活力为20000u/g,使用量按150u/g（原料）计算。则用酶量为：

1502541.9??19kg20000

4.2醪液量的计算

根据生产实践，淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1:3，还需加入10kgα-淀粉酶，的故粉浆量为：

用酶量=原料用量?糖化酶用量单位2541.9 (1+3)+10=10177 kg

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。在蒸煮过程中，蒸煮醪量将发生变化，故蒸煮醪的精确计算必须与热量衡算同时进行，顺而十分复杂。为简化计算，可按下述方法近似求解。

本设计用罐式连续蒸煮工艺，混合后粉将温度为50℃，应用喷射液化器使粉浆迅速升温至88℃，然后进入罐式连续液化，再经115℃高温来酶后，在真空冷却器中闪急蒸发冷却至63℃后入糖化罐。

干物质近似用的薯干比热容1.63 kJ/(kg·K)，粉浆干物质浓度为：

87÷（4×100）=0.218kJ/(kg·K)

蒸煮醪比热容为：

21.8%×1.63+(1.0-21.8%)×4.18=3.62kJ/(kg·K)

式中 4.18—水比热容[kJ/(kg·K)] 经喷射液化器加热后蒸煮醪量为：

10177?10177?3.62?（88?50）?10765kg2748.9?88?4.18

式中 2748.9—喷射液化器加热蒸汽(0.5MPa)的焓(kJ/kg)

经第二液维持罐出来的蒸汽醪量为：

10765?式中 2288.3—第二液化维持的温度为84℃下饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg) 经喷射混合加热器后的蒸煮醪量为：

10697?10697?3.62?（115?84）?11226kg2748.9?115?4.18

10765?3.62?（88?84）?10697kg2288.3

式中 115—灭酶温度(℃)

2748.9—0.5MPa饱和蒸汽的焓(kJ/K) 经汽液分离器后的蒸煮醪量为：

11226?式中 2245—104.3℃下饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg) 经真空冷却器后最终蒸煮醪液量为：

11032?11226?3.62?（115?104.3）?11032kg2245

式中 2351—真空冷却温度为63℃下的饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg)

蒸煮后的醪液要加入19kg的糖化酶，故醪液的总量为：

10341+19=10360kg11032?3.62?（104.3?63）?10341kg2351

在发酵前还需在发酵醪中放入酒母醪，使原料发酵为乙醇，根据经验接种量按10%计，则投入的酒母醪量为：

0.1?10360?1036kg则发酵的总质量为：

由生产1000kg乙醇的各项物料衡算可算出年产量50000吨乙醇每小时、每天和每年的各项用量，

第 19 页 共 50页

10360+1036=11396kg

AfAT?0.1424 WdD?0.2000

由此可知截面积为

Af?0.1424?5.3066?0.756

故

Wd?0.2?2.6?0.52

图4.2 弓形降液管参数图

4）降液管的液体停留时间? 精馏段 ??提馏段 ??AfHTLS?0.75?6.06?43.2 s0.0105AfHTLS?0.75?6.06?18.74 s0.0242降液管的截面积应保证液体在降液管内有足够的停留时间，使溢流液体中央夹带气泡能来得及分离。为此，液体在降液管内的停留时间不应小于3～5s[27]。所以上述降液管设置合理。

（5）降液管底隙高度h0

依公式h0?LSlwu0?计算

根据经验，一般液体通过降液管底隙是的流速uo??0.07m/s~0.25m/s，取0.2m/s 则

精馏段 h0?提馏段 h'0?LSlwu0?LSlwu0?? ?0.025m2.08?.02?0.0576 m2.08?.020.02420.0105?第 30 页 共 50页

降液管底隙高度一般不宜小于20～25mm,否则易堵塞或造成液泛。故降液管底隙高度设计合理。 精馏段 hw?h?0.0805?0.025?0.00 155m0提馏段 h'w?h'0?0.066?0.005?76. 09m00[28]

降液管底隙高度比溢流堰高度低0.006m，以保证降液管底隙的液封，故以上计算降液管底隙高度设计合理。 4.4.3.2 塔板分块

[29]

由于塔(T-2)是塔径为2.6m的大塔，通常采用分块式塔板，以便通过人孔装拆塔板。 1）边缘区宽度确定

当D＞1.5m时，破沫区宽度WS=80～110mm,因此取WS=80mm，WC=60mm。 2）鼓泡区面积Aa

??222?1x? Aa?2?xR?x?Rsin?180R??式中

x?R?D2D2??Wd?Ws???Ws?2.622.62??0.52?0.08??0.7

?0.08?1.22

则

??222?1?0.7Aa?2??0.7?1.22?0.7??1.22sin?180?1.22??????3.22 ??4.4.3.3 筛板计算

所处理的物质无腐蚀性，可选用??3mm的碳钢板，取筛孔直径d0=5mm，孔中心距t=15mm，查[30]得每平方米开孔区的孔数n??6?103个/m2，则孔数可由下式计算

n?n?Aa?6?10?3.22?19320个

3为使气液接触良好和最大限度的利用塔盘面积，筛孔取采用正三角形排列，以开孔区面积为基准开孔率[31]为：

d2??0.9069(0)

t??0.9069?(4.4.3.4 筛板的流体力学验算

1）液体表面张力的阻力h?

h??4?L515)2?0.1008

?Lgd0?4?41.84?10?3968.24?9.81?0.005?0.00353

2）筛孔气速 由于

d0??1.67，查干筛孔的流量系数图

[30]

得C0=0.8

u0m?4.4C0?0.0056?0.13hL?h???L?V?4.4?0.8??10.93m/s?0.0056?0.13?0.1?0.00353??968.241.513

u0?1.5u0m?1.5?10.93?16.395m/s

3）干板压降

第 31 页 共 50页

22?u0???V???A0??hc?0.051???????1???C0???L???Aa?????16.395??1.513 ?0.051?????0.8???968.24 ?0.03322???0.323?? ???1????3.22???????4）板上液层的有效阻力

[30]

查有效液层阻力图得 hl=0.06m液柱 5）塔板压降

?，气相通过筛板的压降hp包括干板压降hc，液层阻力hL及鼓泡时克服液体表面张力的压头h?。

??h??hc?hl?0.033?0.06?0.093 hp?hc?hL6）雾沫夹带

雾沫夹带量是控制筛板塔操作的上限，与塔板间距的选取有关。其关联式如下：

ug?0.0057??ev???????L??HT?hf????3.2

10.9775.3066?0.756式中液层上部的有效塔截面气体速度ug??1??1h?L???0.4??0.4???0.1?0.25m ?VSAT?Af??2.41m/s

泡沫层高度hf??故

?0.0057ev???45.12.41?????????0.6?0.25?3.2?0.065kg/kg汽

7）降液管液泛

为防止塔内发生液泛，降液管内液层高度Hd应服从Hd???HT?hw?，?为降液管内充气及安全两种因素的校正系数[32]。塔(T-2)物系属于不易发泡物质，因此?在0.6～0.7之间，故?取0.6

??HT?hw??0.6??0.6?0.0805??0.4083

而Hd?hp?hc?hd，板上不设进口堰hd可由下式计算

?L??0.0105?hd?0.153?S??0.153???0.0062 ??2.08?0.025??lwh0?22故

Hd?0.093?0.033?0.0062?0.1322m＜0.4083

因此不会发生液泛现象。

4.4.4 塔板负荷性能图的计算

1）漏液线

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uomin?VsminAo(0.0056?0.13hL?h?)uomin?4.4C0hL?hw?howhow?2.841000E(?L?V

Lslw)2/3Vsmin?Ao4.4C0(0.0056?0.13(hw?2.841000E(Lslw)2/3)?h?)?L?Vuomin?VsminAouomin?4.4C0(0.0056?0.13hL?h?)?L?V

hL?hw?howhow?2.841000E(Lslw)2/3 Vsmin?Ao4.4C0???Ls2/3?2.84???E()??h??L?0.0056?0.13?hw?1000lw???????VLs2/3??968.242.84?0.0805??()?0.00353????10002.08???1.513?Vsmin?3.22?0.1008?4.4?0.8?0.0056?0.13?? ?1.137? ?1.137??0.00207?0.13?(0.0805?0.0017Ls2/3)??639.95??(0.00127?0.0105?0.00051Ls2/32/3)?639.85 ?1.1378.06?0.326Ls在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，其结果见表4.10：

表4.10 漏液线数据

LS VS

0. 3.228

0.02 3.232

0.04 3.235

0.06 3.238

0.08 3.241

0.10 3.244

由上表数据可得出漏液线。

2）液沫夹带线

以??0.1kg液/kg气为限，

V求Vs-Ls关系：

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?V?5.7?10?3?LVsAT?Af?(ugHT?hfVS)3.2??uo5.3066?0.756?0.22VShf?2.5hL?2.5(hw?how)how?2.841000?1?(3600Ls2.08)2/3

?V?5.7?1041.84?3?????0.6?2.5?????0.22VS??3600Ls2/3??2.84??hw?1000?1?(0.64)?????3.23.2?V?5.7?1041.84?30.22VS????2/3??0.6?2.5?(0.0805?0.41Ls)??(0.22VS0.399?1.025Ls3.22/3?V?1.36?100.22VS?4)3.2?0.1

(0.399?1.025Ls)2/3?735.32/3Vs?17.866?36.648Ls在操作范围内，任取几个Ls值，依上式计算出Vs值，其结果见表4.11：

表4.11 液沫夹带数据

LS VS

0. 17.866

0.02 16.967

0.04 15.397

0.06 13.745

0.08 12.270

0.10 10.923

由上表数据可得出液沫夹带线。

3）液相负荷下限线

对于平直堰，取堰上液层高度how=0.006m作为最小液体负荷标准 由公式：

3600Ls2/32.84how??E?()

10002.08取E=1则：

how?2.841000?1?(3600Ls2.083)2/3?0.006

Lsmin?0.00177m/s据此可得出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线。

4）液相负荷下限线

以??5s作为液体在管中停留时间的下限 由下式得：

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