发酵法年产5万吨乙醇的工艺设计【毕业设计论文】

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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

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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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5.3总平面布置论述 ................................................................................. 40 5.4 辅助车间设施..................................................................................... 41 5.4.1 质检室 .......................................................................................... 41 5.4.2 仓库.............................................................................................. 41 5.4.3 机修间 .......................................................................................... 41 5.4.4 污水处理 ...................................................................................... 41 5.4.5 生活设施 ...................................................................................... 42 5.5 供电系统 ............................................................................................ 42 5.5.1 供电要求和相应措施 ................................................................... 42 5.5.2 车间配电原则............................................................................... 42 5.5.3 主车间配电 .................................................................................. 42 5.6 用水系统 ............................................................................................ 42 5.6.1乙醇厂用水分类 ............................................................................ 42 5.6.2给水系统和配水系统 .................................................................... 42 5.6.3冷却水循环系统 ............................................................................ 42 5.6.4排水系统 ....................................................................................... 42

6 人力组织 ................................................................................................ 43 6.1 基本原则 ............................................................................................ 43 6.1.1 劳动力组织原则 ........................................................................... 43 6.1.2 企业组织原则............................................................................... 43 6.2 车间劳动制度..................................................................................... 43 6.3 乙醇生产车间人员编制 ...................................................................... 43 符号说明 .................................................................................................... 44 致谢 ............................................................................................................ 45 参考文献 .................................................................................................... 46 附录一 工艺流程图 .................................................................................. 47 附录二 筛板塔（T-2）条件图................................................................. 48 附录三 车间平面布置图 .......................................................................... 49 附录四 车间立面图 .................................................................................. 50

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1 概述

1.1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。 1.1.1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3.5%-18%（体积分数）

乙醇的物理指标： 熔点(℃)：-114.1 沸点(℃)：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 蒸发热(kJ/L)：918.76 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

溶解性： 与水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多数有机溶剂。 1.1.2化学性质

1） 氧化作用下乙醇的变化

2C2H5OH + O2→2CH3CHO + 2H2O C2H5OH + O2→CH3COOH + H2O CHOH + O 2CO2+3H2O

2） 碱金属，碱土金属与乙醇的作用 2Na + 2C2H5OH→2C5H5ONa + H2↑

Mg + 2C2H5OH→C(C2H5O)2 Mg + H2↑ 3） 酸与乙醇的反应

CH3COOH + C2H5OH→CH3COOC2H5 + H2O 4） 乙醇的脱水反应

CH3CH2OH CH2=CH2 ↑+ H2O 2CH3CH2OH C2H5OC2H5 + H2O 1.1.3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。 1.1.4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1.1所示。

表1.1 乙醇的质量指标表

项 目 色度/号

乙醇/％（体积分数）

硫酸试验/号 氧化时间/min 醛/mg/L

≤ ≥ ≤ ≥ ≤

特 级 10 96.0 5 40 1

优 级 10 95.5 10 30 3

普 通 级 10 95.0 60 20 30

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甲醇/mg/L 正丙醇/mg/L 异丁醇＋异戊醇/mg/L 酸（以乙酸计）/mg/L 酯（以乙酸乙酯计）/mg/L

不挥发物/mg/L 重金属（以Pb计）/mg/L 氰化物（以HCN计）/mg/L

≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤

2 2 1 7 10 10 1 5

50 35 2 10 18 20 1 5

150 100 30 20 25 25 1 5

1.2乙醇生产的意义及发展史 1.2.1乙醇生产的意义

乙醇是可再生能源,若采用小麦、玉米、稻谷壳、薯类、甘蔗、糖蜜等生物质发酵生产乙醇,其燃烧所排放的二氧化碳和作为原料的生物源生长所消耗的二氧化碳, 在数量上基本持平,这对减少大气污染及抑制温室效应意义重大。发展乙醇不仅可以促进农业的可持续发展，并且可以作为清洁能源代替汽油或汽油添加剂，减少工业大气污染，保护环境，同时也可缓解原油进口的压力。根据我国《生物燃料乙醇及车用乙醇汽油“十一五”发展专项规划》，“十一五”期间，我国将生产600万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇500万吨，生物柴油100万吨；到2020年，生产2000万吨生物液态燃料，其中燃料乙醇1500万吨。如果完全用玉米来生产，按照1：3.3比例计算，2010年对玉米的需求将达到1650万吨，2020年将达到4950万吨，加上其他工业消费对玉米需求的增长，未来我国玉米生产将难以满足燃料乙醇生产的工业化需求，完全使用玉米生产燃料乙醇在我国并不现实。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。所以以非粮作物为原料生产乙醇有着广阔的市场前景，对解决日益紧迫的液体燃料短缺问题具有极其重要的意义。 1.2.2乙醇生产的发展

1）生产技术的现代化

新中国成立前，我国乙醇工业的规模很小，生产工艺均为间歇式，以麦芽作淀粉糖化剂，原料不经粉碎，淀粉利用率只有60%左右。20世纪50年代中期开始进行技术革新，首先在糖化剂方商采用微生物糖化剂代替麦芽，1964年推行机械通风制曲，随后普遍应用液体曲，1978年开发出高活力糖化酶新菌种（UV-11）进入20世纪90年代后逐步使用具有国际水平的耐高温X-淀粉酶和高转化率糖化酶。

在淀粉质原料的蒸煮、糖化工艺方面采用一级真空冷却连续糖化。在发酵方面，出现了应用耐高温酵母、酿酒用活性干酵母（或鲜酵母）及固定化酵母的新工艺。在蒸馏方面乙醇蒸馏的塔器配置从两塔、三塔/四塔、五塔发展到八塔蒸馏，近年来差压蒸馏等新技术正在生产中推广应用。

50年来，我国的乙醇生产技术得到很大发展，淀粉利用率达90%以上，水平高的企业淀粉出酒率达55～56%；发酵液乙醇浓度由5%提高到10%左右；每吨乙醇耗煤从过去普遍在2吨以上降到1吨以下（最低达500公斤）。进入90年代后，随着食用乙醇国家标准的制订和实施，我国乙醇工业的生产技术水平得到了普遍性的提高

2） 建立了完善的乙醇产品质量标准，具有生产多种规格乙醇产品的实力

20世纪50年代初期，我国乙醇产品无统一的质量标准。有的厂"够度"即算合格，有的厂参考外国标准自行规定一些检查项目，也有的厂按中华药典中医药乙醇的要求生产。1954年，哈尔滨、济南、天津等乙醇厂应军工的需要按原苏联的乙醇标准（roct5921-51）试制成功"精馏酒精"，并按此生产。1956年，原食品工业部参照原苏联乙醇标准及中华药典制订了"精馏酒精"（食酒0301-56）和"医药酒精"（食酒0302-56）的部颁标准。至此，我国乙醇工业有了全国统一的产品质量标准。

现今，我国已经具备较完整的乙醇产品质量标准体系，并正在对食用乙醇国家标准（GB13043-89）组织进行修订，以使其进一步和国际先进水平接轨。

不断提高并有着先进性的产品标准，有力促进了我国乙醇生产和质量水平的不断提高。现在大多数企业都能生产普级食用乙醇，相当一部分企业具有生产优级食用乙醇的实力，有多家企业进行着高纯度特级乙醇的生产。

3） 糟液治理与综合利用取得长足发展

过去，糟液除略行简单过滤直接用作饲料外，基本上不予处理。随着生产的发展，对糟液的治理

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逐步引起重视，20世纪60年代用薯类乙醇糟液大规模进行沼气发酵取得成功，逐步推广并不断完善，现在最大的沼气发酵罐容已达5000立方米。针对沼气发酵后消化液的进一步处理，好氧法取得一定成效；近来南阳乙醇总厂开发出一套实用而有效的治理措施，采用物理化学法去除悬浮扬（制得部分干酒糟和肥料），利用生物法去除可溶性有机物（获得沼气），从而使薯类乙醇糟液的治理实现了经济上

[2]

有利的达标排放。 1.3乙醇的应用领域

乙醇的用途很广，主要有： 1）消毒剂：

医院用的一般用浓度为70%～75%的乙醇溶液，因为这种浓度的乙醇溶液杀菌能力最强；此外也是碘酒消毒剂的成分之一。

2）饮料：

乙醇是酒主要成分（含量和酒的种类有关系）如白酒为56度的酒。 3）基本有机化工原料：

乙醇可用来制取乙醛、乙醚、乙酸乙酯、乙胺等化工原料，也是制取、染料、涂料、洗涤剂等产品的原料。

4）汽车燃料：

乙醇可以调入汽油，作为车用燃料，美国销售乙醇汽油已有20年历史。

此外乙醇还做：稀释剂、有机溶剂、涂料溶剂等几大方面，其中用量最大的是消毒剂。 1.4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。 1.4.1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、CO-H2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：

催化剂

C2H4 + H2O C2H5OH 230~300℃，7~8MPa 2）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； CH2=CH2 + H2SO4 → CH3CH2-OSO2OH 或 2CH2=CH2 + H2SO4 → (CH3CHO)2SO2

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： CH3CH2-OSO2OH + H2O → CH3CH2OH + H2SO4 或 (CH3CHO)2SO2 + 2H2O → 2CH3CH2OH + H2SO4 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160～200℃，铜催化剂的存在下加氢制得乙醇，其他化学反应式如下：

CH3CHO + H H3CH2OH 乙烯氧化发生产乙醛又分为氧气法和空气法。氧气法是在120～130℃，300kPa左右的压力下进行

反应；空气法是在100～105℃，压力1～1.2MPa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）CO-H2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CO-H2混合气具有广泛的发展前景。

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2CO + H2→C2H5OH + H2O 3CO + H2→C2H5OH + CO2

由反应式可知。CO与H2的摩尔比应符合化学计量关系，［CO］:［H2］=1:2或1:1。因此实际生产中为使混合气的摩尔比恰好为1:2，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：

3CH4 + 2H2O + CO2 → 4CO + 8H2 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CO-H2合成乙醇的关键。 1.4.2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。

①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27-30℃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8%-10%的酒母醪，每隔3-6h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6-8h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1/3-1/2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]。

②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7-8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。

[4]

最后，从罐至末罐逐个顺次将成熟发酵罐送去蒸馏。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。

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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]。

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

[8]

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

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

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

[9]

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

[11]

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 =108.072t

B0——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

[13]

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

[11]

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：

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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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