年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计酒精发酵工艺初步设计Word文件下载.docx
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所以对木薯发酵生产酒精的研究具有重要的意义。
本课程设计题为年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计──发酵糖化醪的发酵工艺初步设计，本次设计的酒精发酵罐为年产20000吨，99.5%的酒精，针对500m3的锥形酒精发酵罐的基本尺寸进行设计的。
关键词：
燃料酒精木薯发酵
1.绪论
1.1设计的目的及意义
在学习掌握所学的生物工艺学、生物工程设备、化工原理等课程的基本理论和基础知识的基础上，通过本次课程设计，培养我们综合运用这些知识分析和解决实际问题的能力以及协作攻关的能力，训练我们使用文献资料和进行技术设计、运算的能力，提高文字和语言表达能力，为其它专业课程的学习和毕业论文（设计）打下基础。
随着国际燃油价格的不断攀升，能源的短缺及燃料酒精的推广使用，燃料酒精行业获得了大好的发展时机。
从资源、技术和经济性分析，我国发展生物质能源产业时机基本成熟，需要加快发展步伐。
且生物质能源能有效降低污染，与普通汽油相比，使用车用乙醇汽油后，一氧化碳的排放可降低7%，碳氢化合物可降低48%。
因此，开发和使用生物质能源符合保护环境，实现循环经济和可持续发展的要求。
目前，发展生物质能源替代石油，已确定为我国的一项重要战略决策。
为避免燃料乙醇与人“争粮”问题的进一步发展，我国科技工作者努力寻求各种非粮材料以替代玉米、小麦等。
所以第二代生产燃料乙醇的基础原料是非粮材料，包括薯类物质、稻草和其他植物纤维材料等。
发展燃料乙醇的重点在于推进“非粮”原料的应用，以推进第二代生物燃料乙醇的产业化发展。
我国木薯资源总量巨大，而现在其利用率极低，相当数量的都烂在地窖里。
木薯是多年生植物，盛产于我国南方，主要是碳水化合物，其他成分，如蛋白质、脂肪、果胶质等含量都比较少，因此被誉为“淀粉之王”。
鲜木薯淀粉含量高达25%～30%，木薯干的淀粉含量高达70%～78%，是世界公认的一种具有很大发展潜力的酒精生产再生资源。
一般可分为甜味木薯和苦味木薯，前者无毒但产量低，不适合作为大规模生产的原料；
后者产量高，但因含有剧毒物质氢氰酸0.07%～0.24%而得名有毒木薯，不过作为酒精生产原料，蒸煮时大部分氢氰酸蒸发出去，并不影响发酵及成品质量。
同时，利用木薯作为生产燃料酒精的原材料还有极大地成本优势，相关数据显示1吨木薯酒精原料成本为2600元/吨左右，1吨蔗糖酒精原料成本为3500元/吨左右，而1吨玉米酒精需成本达到了4000多元/吨。
而且以木薯生产酒精，每亩土地可得到的酒精量是玉米、稻米的两倍。
为更进一步推进“非粮”原料生产燃料乙醇产业化发展；
同时也为更好的促进对我国木薯价值的开发利用，增加农民收入，推进农业的进步，将木薯作为我国生产燃料酒精的主要非粮原材料，不失为一项明智的选择。
1.2设计指导思想和原则
一、设计按照设计任务书进行，尽量符合任务书的要求，各种计划进程在任务书的可控范围内。
二、工厂充分考虑现今的一些技术，设备，以及设计先进理念，以“工艺先进、技术可靠、系统科学、经济合理、安全环保”为原则，各种设计方案综合比较，取长补短，制定一个高产节能的设计方案，高效生产合格燃料乙醇。
三、设计尽量贴近实际，并且努力使其经济效益最大化，在各种设备选型中，合理考虑性价比和地区特性，不盲目追求新设备，新生产线。
1.3设计依据
1.3.1设计课题
年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计──酒精发酵工艺初步设计
（《海南大学生物工程课程内容任务书》）
1.3.2设计条件
生产能力：
年产2万吨99.5%酒精含量燃料乙醇
原料：
木薯（海南产）糖化而来的糖化醪液
生产方法:
双酶糖化、间歇发酵生产技术
生产时间：
全年生产300天（24小时），连续操作
工厂厂址：
海口郊区
厂址地域与自然条件：
当地气候条件（来自海南气象台资料）：
温度高温39℃最低温度6
平均温度23.8
湿度最高湿度92%平均湿度85%
水温河水（>
1米）最高30
最低10
自来（饮用）水最高30
深井水平均18
风频率年平均风速：
3.3m/s
降水量年平均：
1691ml/a
风向东北风和东风
产品：
根据GB18350—2001要求，生产含酒精含量99.5%的成品。
2生产工艺流程选择和论证
2.1燃料酒精生产流程（附图2）
2.2酒精发酵工艺流程
2.2.1酒精发酵的要求
（1）在发酵前期，要创造条件，让酵母菌迅速繁殖，并占据绝对统治地位。
（2）保持一定量的糖化酶活力，使糖化醪中糊化了的淀粉继续被分解，生成可发酵性糖，即要保持后糖化的继续进行。
（3）发酵过程的中期和后期，要造成厌气条件，使酵母在无氧条件下进行糖的酒精发酵。
（4）要搞好杂菌污染的防止工作，避免因此中造成的损失。
（5）要采取必要的措施，提高酒精发酵强度，降低酒精厂的造价和酒精的生产成本。
（6）注意回收二氧化碳及其夹带的酒精，二氧化碳应进一步利用。
2.2.2酒精发酵机理
酒精酵母进入糖化醪后，糖分被酵母细胞所吸收，并渗入细胞内，经过酵母细胞内酒化酶系统的作用，最终生成酒精、
和能量，一部分能量被酵母细胞用作新陈代谢的能源，余下的部分和酒精及
一起，通过细胞膜排除体外。
酵母菌就是以这种方式进行烫的酒精发酵的。
酒精从细胞膜渗出后很快就渗透到周围介质中去了，因为酒精可以任何比例与水混合。
这样，酵母细胞周围的酒精浓度并不比醪液中的高。
也会在液体中。
但是很快就达到饱和状态。
此后产生的
就吸附在细胞表面，直至超过细胞重力的时候，气泡就带着细胞上浮，直至气泡破裂，
释入空中，细胞留在醪中慢慢下沉。
由于
的上升，带动了醪液中酵母细胞的上下游动，使酵母细胞更能充分的与醪液中的糖分接触，发酵作用更充分和彻底。
在发酵后期，醪液中的糖分含量降低到一定水平以下，而液体中的
已经饱和，这时，
不再能排除细胞，因而对发酵形成阻碍。
在这种情况下，为了使
得以释放，必须使它和某种表面接触。
与表面接触后易于释放的原因在于它的电荷。
和其他液体中的气体一样是带负电荷的，当它和带负电的发酵罐表面接触时，因为电荷的排斥力，使
无法在管壁停留二溢出。
所以，
容易沿管壁溢出。
随着
的上升，不仅带动了酵母细胞，也使固形物一起上浮，有时也能使底层的物料持久的浮在醪液表面，这种类型的发酵称为被盖式发酵。
如果发酵醪较粘稠，气泡到达页面后并不破裂，逐渐形成持久不散的泡沫。
严重是，泡沫会从罐顶溢出，造成可发酵性物质损失，这种类型的发酵称为泡沫型发酵。
被盖型和泡沫型发酵都是不理想的发酵类型。
2.2.3酒精发酵工艺流程选择
酒精发酵是属于厌气性发酵，在发酵过程中进行无氧呼吸，在此过程中，发生着复杂的生物化学变化，既有糖化醪中淀粉和糊精继续被淀粉酶水解生成糖，也有蛋白质在曲霉蛋白酶水解下生成肽和氨基酸。
这些物质一部分被酵母吸收合成菌体细胞，另一部分则被发酵，生成酒精和CO2。
酒精发酵的方式分为间歇式、半连续式和连续式三种。
间歇发酵：
指全部发酵过程始终在同一个发酵罐内进行的发酵方式。
其优点是操作简单，易于管理，不会大面积感染杂菌。
缺点是酒母用量大，非生产性时间长，设备利用率低。
连续发酵：
指把发酵的不同阶段的分别放入发酵罐内进行发酵的方式。
由于糖液是一直连续不断地流加，故每个发酵罐内的流量、醪液浓度、酒精浓度、酵母细胞数以及温度、pH值等均相应稳定，有利于酵母的生长繁殖。
优点是可以提高设备利用率，节省酒母，便于自动化控制，缺点是对无菌条件要求严格。
半连续发酵：
介于间歇发酵和连续发酵之间的一种发酵方式。
指主酵期采用连续发酵而后酵期采用间歇发酵。
其优点是节约酒母，设备利用率较间歇发酵有所提高，缺点是对无菌要求较为严格。
[2]
2.2.4木薯酒精发酵工艺的论证
（1）提高了设备利用率
连续发酵法生产酒精，其生产设备始终处于发酵状态。
另外，醪液进入发酵罐后，立即处于主发酵状态，省去了间歇发酵中的前发酵期。
因此提高设备利用率20％以上。
（2）提高了淀粉利用率
连续发酵无菌条件要求高，杂菌不易污染，发酵醪液始终处于流动状态，促进了酵母与醪液的均匀接触，并有利于CO2排除，因此增强了酵母的发酵作用，提高了出酒率。
（3）省去了酒母工段
连续发酵工艺每15天左右才需接一次酒母，而间歇发酵一天就要培养几次洒母，因此大大减少了繁琐的酒母培养工作。
（4）便于实现自动化
目前，酒精生产中蒸煮、糖化和蒸馏工艺多数已采用连续生产，如果发酵工艺也能采用连续化，则整个生产都趋于连续化了。
木薯酒精发酵动态
酒精发酵过程从外观现象可以将其分为如下三个发酵不同阶段.
（1）前发酵期
酒母与糖化醪加入发酵罐后，醪液中含有少量的溶解氧和充足的营养物质，所以酵母菌迅速繁殖，使发酵醪中酵母细胞繁殖到一定数量。
前发酵阶段时间的长短，与酵母的接种量有关。
如果接种量大，则前发酵期短，反之则长。
前发酵延续时间一般为l0小时左右。
（2）主发酵期
主发酵阶段，酵母细胞已大量形成。
由于发酵醪中的氧气也已消耗完毕，酵母菌基本上停止繁殖而主要进行酒精发酵作用。
主发酵时间长短，取决于醪液中营养状况，如果发酵醪中糖分含量高，主发酵时间长，反之则短。
主发酵时间一能为12小时左右。
（3）后发酵期
后发酵阶段，醪液中的糖分大部分已被酵母菌消耗掉，醪液中尚残存部分糊精继续被曲中的葡萄糖苷酶作用，生成葡萄糖。
后发酵阶段，因为发酵作用减弱，此时醪液温度应控制在30—32℃左右。
木薯原料生产酒精的后发酵阶段一般约需40小时左右才能完成。
发酵成熟醪的指标
（1）外观糖
成熟醪用纱布过滤后，直接用糖度计测量所得的数值叫外观糖。
干物质浓度越低，酒精含量越高，糖度计测量得到的数值越小。
（2）还原糖
是取滤布过滤后的发酵醪液，加热蒸去所含酒精，并加水恢复到原来体积后，以测定还原糖的方法测得的数值。
（3）残总糖
是发酵醪不经过滤，用2%HCL水解转化后测得的糖量，它不仅包括发酵醪中的具有还原性的糖类，而且还包括未被转化发酵的淀粉和糊精。
（4）酸度
发酵醪酸度采用滴定法测定。
它是判断发酵醪是否感染杂菌的可靠指标，因为酵母发酵基本不产生酸，只有杂菌才会产酸。
（5）挥发酸
测定方法是取发酵醪若干加入适量水后，以蒸馏方法蒸出相当于原发酵醪体积的馏出液，按测定酸度方法测定。
（6）酒精含量
用蒸馏方法测定。
2.2.5酒精发酵工艺优化最新研究进展
目前木薯酒精发酵工艺主要有分别水解发酵工艺,同步水解、发酵工艺,固定化细胞发酵工艺,生淀粉发酵工艺等。
1、分别水解发酵工艺（SHF）
SHF法的工艺特点是糖化和发酵分别在不同的反应器中进行。
当前木薯原料发酵生产酒精普遍采用的是SHF模式,SHF模式发酵速度较慢,一方面是由于发酵初期高的葡萄糖浓度对酵母发酵产生抑制,另一方面即使SHF模式中也存在后糖化过程,酵母自身不能利用淀粉,发酵结束除了取决于酵母利用葡萄糖的速度,还取决于发酵后期糖化酶的后糖化速度。
SHF模式中,糖化后高的葡萄糖对糖化酶的抑制使其活性下降较快,造成后糖化作用弱,发酵时间延长[2]。
2、同步水解、发酵工艺
同步水解、发酵工艺即同步糖化发酵法。
20世纪70年代,一些学者在研究纤维素发酵转化乙醇的过程中,为了防止糖积累和最终产物抑制,从而提高纤维素酶的催化水解效率,提出了同步糖化发酵（SSF）模式,受到了广泛的重视,各国学者进行了大量研究。
采用SSF模式发酵淀粉原料生产酒精,省略了糖化工段,能耗降低;
糖化和发酵在同一个反应器中进行,设备投资省;
另外糖化和发酵同时进行,糖化生产的葡萄糖一经产生就被酵母利用,解除了产物抑制,保持了糖化酶的活性,有利于防止染菌。
刘振等对木薯干原料同步糖化发酵生产乙醇的各影响条件进行研究,得出最优的工艺条件:
原料粉碎粒度0.45mm,加水比2.8,100℃下蒸煮30min,α-淀粉酶、糖化酶的添加量分别为10、180U/g,30O℃下发酵48h。
并与普通的先糖化后发酵（SHF）生产模式进行了对比,认为SSF具有工艺简单、能耗低、发酵迅速、醪液酒精度高等众多优点,但是同步糖化发酵法存在糖化和发酵温度不协调等缺点。
3、固定化细胞发酵工艺
固定化细胞发酵具有能使发酵罐内细胞浓度提高,细胞可连续使用,使最终发酵液酒精浓度得以提高。
在游离发酵过程中,酵母随着醪液流出,造成酵母细胞迅速降低,发酵速度变慢。
人们从固定化酶技术得到启发,使酵母一直停留在发酵罐中,保持高的反应速度。
常用的方法有吸附、包埋、交联等,可用的固定载体多种多样,常用的载体有海藻酸钠、卡拉胶、多孔玻璃等。
赵玲等[2]以海藻酸钠为载体进行了固定化酵母流化床生物反应器木薯淀粉酒精的间歇发酵试验,得出发酵醪初糖浓度为15%-17%,经过9h的发酵,发酵醪酒精含量达到9.3%-9.6%（v/v）,酒精收率为87.35%-92.27%。
反应器的乙醇生产能力为5.71-5.90g/L.h,残糖均低于1%,与常规的生产工艺相比极大地缩短发酵时间,提高生产强度2-3倍。
李魁[3]采用聚乙烯（PVA）为载体共固定化酵母菌细胞和糖化酶制剂,以木薯糖化醪为发酵底物在共固定化生物反应器中,控制发酵温度300℃,在糖化醪流加速率为9mL/h,停留时间3.1h和稀释速率为0.155h-1条件下进行酒精连续发酵,成熟发酵醪液残余总糖和残余还原糖含量均较低,游离细胞数较常规发酵低1个数量级以上,总糖利用率高达96.91%。
8O年代初,K.Esser等人率先提出利用某些具有强自身絮凝能力的菌株形成颗粒,以此作为一种固定化细胞的方法[4]。
这种技术被称为无载体细胞固定化技术,与通常的载体固定化方法相比,它具有如下优点:
①固定化操作方法简单,无载体附加费,不消耗任何辅助材料,颗粒制各成本低;
②与载体固定颗粒相比,细胞颗粒内部传质阻力小,有利于维持细胞的活性和发酵的进行;
③反应器中菌体浓度高,可获得很高的生产强度。
2000年,马悦等以一株粟酒裂殖酵母变异株（Schizosacharomycespombe）在悬浮生物反应器内进行了以木薯淀粉糖化液为发酵底物的酒精清液连续发酵研究,得出了二级连续发酵系统可明显改善一级系统的不足,并取得了平均流加糖液浓度150g/L,发酵强度为9.7g/L.h,流出液酒精浓度72.7g/L,残糖浓度3.74g/L,总糖利用率90%的较好结果,并且整个系统在连续一个月的运行中从未发现染菌现象,发酵操作稳定[5]。
4、生淀粉发酵工艺
生料酿酒就是指酿酒原料不用蒸煮,糊化直接将生料淀粉进行糖化和发酵,生料发酵在酿酒上已得到广泛应用,生产实践表明,与传统的酿酒方法相比:
能耗低,生料酿酒可节约能源50%;
成本低,降低成本37%;
改善劳动条件,降低劳动强度30%左右;
出率高,能提高出酒率20%-30%,,酒质好等优点,但以生料发酵在木薯酒精生产中的研究比较少见。
1981年,SeiuosukeUed[6]等人报道了用木薯制酒精的试验方法,Asp.awamoriNRRL3l12和Asp.niger菌种在麸皮上于300℃培养3d制成淀粉酶,将粉碎的木薯浆和淀粉酶、酵母混合,在pH3.5,300℃下发酵5d,生木薯的酒精产量是理论值的82%-99%。
2005年,李志平[7]以木薯为原料,通过单因素试验、正交试验,认为生淀粉分解酶的酶用量为30u/g原料,料水比为1:
4.5,酵母接种量为5%,发酵时间4d为生淀粉直接发酵生产酒精的最佳发酵条件,并且得出发酵成熟醪酒分为7.04%（v/v）,发酵率为78.38%。
2.3酒精发酵动力学
2.3.1酒精发酵的表示方法
（1）测定发酵度数值的变化。
（2）测定释放二氧化碳的重量或体积。
（3）按时测定已被发酵糖的数量，并以绝对或百分数来表示。
2.3.2三酒精发酵的阶段
（1）前发酵期
在酒母与糖化醪加入发酵罐后，醪液中的酵母细胞数还不多，由于醪液中含有少量的溶解氧和充足的营养物质，所以酵母菌仍能迅速地进行繁殖，使发酵醪中酵母细胞繁殖到一定数量。
在这一时期，醪液中的糊精继续被糖化酶作用，生成糖分，但由于温度较低，故糖化作用较为缓慢。
从外观看，由于醪液中酵母数不多，发酵作用不强，酒精分和CO2产生得很少，所以发酵醪的表面显得比较平静，糖分消耗也比较馒。
由于前发酵期间酵母数量不多，发酵作用不强，所以醪液温度上升不快。
醪液温度控制，在接种时为26—28℃，前发酵期温度一般不超过30℃。
如果温度太高，会造成酵母早期衰老，如果温度过低，又会使酵母生长缓慢。
前发酵期间应十分注意防止杂菌污染，因为此时期酵母数量少，易被杂菌抑制，故应加强卫生管理。
（2）主发酵期
酵母细胞已大量形成，醪液中酵母细胞数可达1亿／毫升以上。
由于发酵醪中的氧气也已消耗完毕，酵母菌基本上停止繁殖而主要进行酒精发酵作用。
醪液中糖分迅速下降，酒精分逐渐增多。
因为发酵作用的增强，醪液中产生了大量的CO2。
随着CO2的逸出，可以产生很强的CO2泡沫响声。
发酵醪的温度此时上升也很快。
生产上应加强这一阶段的温度控制。
根据酵母菌的性能，主发酵温度最好能控制在30—34℃
主发酵时间长短，取决于醪液中营养状况，如果发酵醪中糖分含量高，主发酵时间长，反之则短。
主发酵时间一能为12小时左右。
（3）后发酵期
醪液中的糖分大部分已被酵母菌消耗掉，醪液中尚残存部分糊精继续被曲作用，生成葡萄糖。
由于这一作用进行的极为缓馒，生成的糖分很少，所以发酵作用也十分缓慢。
因此，这一阶段发酵醪中酒精和CO2产生得也少。
后发酵阶段，因为发酵作用减弱，所以产生的热量也减少，发酵醪的温度逐渐下降。
此时醪液温度应控制在30—32℃左右。
如果醪液温度太低，糖化酶的作用就会减弱，糖化缓慢，发酵时间就会延长，这样也会影响淀粉出酒率。
淀粉质原料生产酒精的后发酵阶段一般约需40小时左右才能完成。
2.3.3酒精发酵的机制
1）葡萄糖磷酸化，生成活泼的1，6-二磷酸果糖。
（1）葡萄糖的磷酸化——6-磷酸葡萄糖的生成
（2）6-磷酸葡萄糖和6-磷酸果糖的互变
（3）6-磷酸果糖生成1，6二磷酸果糖
2）1，6-磷酸果糖裂解称为两个分子的磷酸丙糖。
（1）1，6二磷酸果糖分解生成两分子三碳糖
（2）磷酸二羟基丙酮与3-磷酸甘油醛互变
3）3-磷酸甘油醛经氧化，并磷酸化，生成1，3-二磷酸甘油酸然后将高能磷酸键转移给ADP，以产生ATP，再经磷酸基变位，和分子内重新排列，再给出一个高能磷酸键，而后生成丙酮酸。
（1）3-磷酸甘油醛脱氢并磷酸化生成1，3-二磷酸甘油酸。
（2）3-磷酸甘油酸的生成
（3）3-磷酸甘油酸和2-磷酸甘油酸的互变
（4）2-磷酸烯醇式丙酮酸的生成
（5）丙酮酸的生成
2.3.4酒精发酵过程中主要副产品的生成
（1）甘油的生成
酵母在一定条件下，可以转化糖分为甘油。
但是，在正常酒精发酵条件下，发酵醪中只有少量的甘油生成，其含量约为发酵醪量的0.3-0.5%。
正常的酒精发酵应在酸性情况下进行，以免甘油过多产生，造成酒精出率的降低。
（2）杂醇油的生成
在酒精发酵过程中，由于原料中蛋白质分解产生了氨基酸，后者的氨基酸被酵母菌同化，用作氮源，存下额部分脱羧生成相应的醇类，这些醇类就是杂醇油。
（3）琥珀酸的生成
（4）乳酸等有机酸的生成
最常见的有机酸，醋酸，和丁酸等。
它们分别是由乳酸菌，醋酸菌和丁酸菌发酵产生的。
2.3.5发酵成熟醪的指标
（1）外观糖
成熟醪用纱布过滤后，直接用糖度计测量所得的数值叫外观糖。
（2）还原糖
是取滤布过滤后的发酵醪液，加热蒸去所含酒精，并加水恢复到原来体积后，以测定还原糖的方法测得的数值。
（3）残总糖
是发酵醪不经过滤，用2%HCL水解转化后测得的糖量，它不仅包括发酵醪中的具有还原性的糖类，而且还包括未被转化发酵的淀粉和糊精。
（4）酸度
发酵醪酸度采用滴定法测定。
（5）挥发酸
测定方法是取发酵醪若干加入适量水后，以蒸馏方法蒸出相当于原发酵醪体积的馏出液，按测定酸度方法测定。
（6）酒精含量
用蒸馏方法测定。
2.3.6影响酒精发酵的因素
（1）糖化醪的浓度
糖化醪浓度高，所得到发酵醪的酒精含量高，设备利用率也就提高，水，电，气等单消耗则相应降低，酒精额生产成本就低。
（2）发酵温度
为了节约冷却水用水和保证热天酒精发酵的顺利进行，国内外都在研究耐高温酵母，在进行高温酵母酒精发酵时，要特别注意防止细菌的繁殖，否则难以得到良好的结果。
（3）发酵醪酸度
（4）酵母接种和发酵时间
（5）连续发酵稀释比
2.3.7酒精发酵中杂菌污染的危害及其防止
（1）杂菌污染造成的直接损失
杂菌消耗糖，造成直接损失。
（2）杂菌污染造成的间接损失
杂菌产生的有机酸对酵母的生命活动有明显的影响。
酸度增加对淀粉酶系统活性造成抑制性影响，这只有麦芽作为糖化剂时候才能明显影响。
（3）杂菌污染的防止
提高他们对车间清洁卫生和操作规程中规定的消毒灭菌工作重要性认识，其次就是健全操作规定，特别是有管消毒灭菌的条例。
3生产工艺操作条件
3.1设计任务
（1）原料液（糖化醪：
13178.0Kg/t）乙醇含量7.14%（质量分数）
糖化醪液组成:
70%的糖化醪,30%补充糖化剂与稀释水
（2）发酵成熟醪:
酸度≤6.2，残糖≤1%，残余还原糖≤0.3%，酒精份10
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