淀粉原料燃料酒精厂全厂总物料衡算2#.docx

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淀粉原料燃料酒精厂全厂总物料衡算2#

淀粉原料燃料酒精厂全厂总物料衡算

任务：

11000t/a的酒精厂发酵车间的设计

姓名：

班级：

学号：

 11000t/a酒精厂全厂总物料衡算

1前言

据统计,全世界每年的石油消耗量为200亿桶,比发现的石油多50亿桶。

石油不断减少，全球的消耗量却不断增加。

尤其我国最近几年经济快速发展，石油消耗也快速增加。

并且中国充满爆发力的石油需求一直被视为近两年来国际油价大涨的关键因素。

目前中国已取代日本成为全球第二大石油消耗国<仅次于美国），预估10年内中国的石油需求将从目前的每日600万桶膨胀近一倍至1150万桶。

十年前中国进口石油占整体石油需求的比例才6%，现在已经提高到三分之一，到2020年预期将有60%的石油都必须来自进口。

石油燃烧带来许多环境问题，其燃烧产物为硫化物和氮化物。

硫氧化物对人体的危害主要是刺激人的呼吸系统，吸入后诱发慢性呼吸道疾病，甚至引起肺水肿和肺心性疾病。

如果大气中同时有颗粒物质存在，颗粒物质吸附了高浓度的硫氧化物、可以进入肺的深部，就会大大地加大危害程度。

石油燃烧产生的氮的氧化物和硫的氧化物在高空中为雨雪冲刷，溶解，雨成为了酸雨。

这些酸性气体成为雨水中杂质硫酸根、硝酸根和氨离子，会严重污染土壤以及水体，造成生态的失衡。

与此同时，石油消耗大量增加，也增加了我国石油安全系数。

而燃料酒精正可以缓解这些问题。

因为酒精生产技术人类已经非常娴熟，人类的文明史就是酒精的发展史。

自从有了人类文明便有了酿酒技术。

酒精发酵是指在无氧条件下，微生物<如酵母菌）分解葡萄糖等有机物，产生酒精、二氧化碳等不彻底氧化产物,同时释放出少量能量的过程。

在生产过程中需要大量的生物技术。

比如：

需要基因项目得到即能提高生产酒精效率又可以用纤维素作为原料而生产酒精的酵母菌，用酶项目生产可直接将纤维素转化为酒精的人造酶等等。

发酵法生产酒精原料主要有淀粉质原料，糖蜜原料和亚硫酸盐造纸废液等。

而淀粉质原料木薯含淀粉量高，木薯的块跟淀粉含量达25-30％左右，木薯干淀粉含量达70％左右，是被誉为“淀粉之王”。

木薯加工性能良好，也不与粮食争地，是一种有很大发展潜力的酒精生产再生资源，将其应用到发酵酒精工业，具有广阔的发展前景。

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酒精生产工艺流程中的物料、水平衡、热量等衡算。

<上文根据参考文献[1]）

2酒精发酵的原理

2.1酶水解

生产中多采用酶水解法。

许多种微生物，如细菌、曲霉等能产生淀粉酶。

淀粉酶水解淀粉的过程是先使淀粉水解成麦芽糖，再由麦芽糖酶作用，生成葡萄糖。

其总的反应式如下：

C12H22O11麦芽糖酶

C6H12O6

淀粉麦芽糖葡萄糖

淀粉酶的种类较多，主要有以下几种：

α-淀粉酶<液化酶、液化型淀粉酶）

可将直链淀粉水解成含6个葡萄搪分子的单位。

它对支链淀粉的α-1，6糖苷链不起作用，但能越过此键，从分于内部水解α-1，4糖苷链，故支链淀粉的水解产物中除6个葡萄糖分子的单位以外，还有短链的分支。

这些小分子化合物统称为糊精。

淀粉被水解后，粘度下降，表现为液化。

β-淀粉酶<糖化酶、糖化型淀粉酶）

它的作用方式是从淀粉分子的非还原端开始，每次分解出一个麦芽糖分子，它可将直链淀粉彻底水解为麦芽糖。

但也不能作用于α-1，6糖苷键，而且不能越过此键。

因此，当分解支链淀粉时，遇到分枝点的α-1，6糖苷键时，就停止作用，留下较大分子的极限糊精。

葡萄糖淀粉酶<γ-淀粉酶）

它自淀粉分子的非还原端开始，每次分解出一个葡萄糖分子，但也不能分解支链淀粉的α-1，6糖苷键。

异淀粉酶

它专门水解α-1，6糖苷键。

它和上述三种淀粉酶联合作用时．可将淀粉彻底水解成麦芽糖和葡萄糖。

2.2酒精发酵

酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成酒精<乙醇）。

酵母在没有分子态氧和氧化酶参与作用，即厌氧的条件下，呼吸基质不彻底氧化，最终的氢受体不是分子氧，而是某种中间代谢产物，其反应的过程如下：

C6H12O6+2A

2CH3COCOOH+2（A-2H>

丙酮酸

2CH3COCOOH

2CH3CHO+2CO2

乙醛

2（A-2H>+2CH3CHO

2CH3CH2OH+2A

总反应式为：

C6H12O6

2CH3CH2OH+2CO2+Q

1mol葡萄糖可产生2mol酒精，即80克葡萄搪可产生92g酒精，得率为51.5％。

可是，酵母干重的累积约为利用碳水化合物的2%，同时2％的碳水化合物用于形成甘油，0.5％的碳水化合物用于形成有机酸<主要是琥珀酸）和0.2％用于形成杂醇油<高级醇），因此，实际上糖只有47％转化成酒精。

一般100kg纯淀粉生产93％浓度酒精的理论值是60.54kg。

3目前酒精发酵方式的比较

3.1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。

3.2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。

因为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。

3.3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。

<此段根据参考文献[2]）

4生产工艺

4.1生产产量及方案

产量：

年产酒精11000吨

产品品种：

含乙醇93%

4.2生产方法的选择

工艺方法：

利用玉M为原料，双酶糖化，添加酒精酵母连续发酵、三塔蒸馏的工艺是目前最成熟、最典型的生产工艺。

酒精生产工艺流程简图[3]：

4.3主要工艺参数：

年生产天数：

300天玉M含水：

15%

玉M粉产率：

87%

玉M含淀粉：

63%

玉M淀粉实际出酒率：

53%

发酵周期：

60h

原料粉碎率：

2.5mm

原料加水比：

1：

3

α-淀粉酶用量：

6u/原料

蒸煮温度：

100℃蒸煮时间：

100min

糖化酶用量：

100u/g原料

糖化温度：

60℃

糖化时间：

45min

糖化醪固形物浓度：

18%

糖化醪PH值：

4.0

接种量：

10%

稀释速率：

0.1

发酵温度：

33℃

发酵罐装料系数：

90%

发酵醪酒精浓度：

10%

5全厂物料衡算的内容

淀粉原料酒精厂的物料衡算包括两部分，第一部分是生产过程全厂总物料衡算，主要计算内容有：

5.1原料消耗的计算:

主要原料为玉M，其它原料有淀粉酶、糖化酶、硫酸、硫酸铵等。

<1）中间厂品，蒸煮醪、酒母醪、发酵醪等。

<2）成品、副产品以及废气、废水、废渣既酒精、杂醇油。

二氧化碳和废糟等。

5．2 原料消耗的计算

5.2.1 淀粉原料生产酒精的总化学反应式为：

 糖化：

<1）   

16218180

 发酵：

<2）

    180  46  44 

5.2.2生产1000kg燃料酒精的理论淀粉消耗量

由<1）和<2）式可求得理论上生产1000kg燃料酒精<乙醇含量93％算）所消耗的淀粉量为：

燃料酒精体积分数93%换算成质量分数为89.64%的食用酒精。

5.2.3 生产1000kg国际食用酒精的理论淀粉消耗量  

国标食用酒精乙醇含量在93％<体积分数）以上，相当于89.64%<质量分数），故生产1000kg食用酒精成品理论上需淀粉量为：

5.2.4生产1000kg食用酒精实际淀粉耗量

 实际上，整个年产过程经历原料处理、发酵及蒸馏等工序，要经过复杂的物理化学和生物化学反应，产品得率必然低于理论产率。

酒精生产给各过程各阶段淀粉损失如表所示：

生产过程

损失原因

淀粉损失

备注

原料处理

粉尘损失

0.4

蒸煮

淀粉残留

0.5

发酵

发酵残糖

1.50

发酵

巴斯德效应

4.00

发酵

酒气蒸发

1.30

如加酒精捕集器此项则为0.30

发酵

二氧化碳带走

蒸馏

废槽带走

1.85

总计损失

9.55

假定发醇阶段系统设有酒精捕集器，则淀粉总损失率为9.55%,故生产1000kg用酒精需淀粉量为：

这个原料消耗水平达到了我国现阶段玉M原料生产酒精的先进出酒率水平。

5.2.5生产1000kg食用酒精玉M原料消耗量

据基础数据给出，玉M原料含淀粉63%，故1吨酒精耗玉M量为：

5.2.6 α-淀粉酶消耗量

应用酶活力为20000u/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.

 用酶量为:

5.2.7 糖化酶耗量

若所用糖化酶的活力为50000u/g,使用量为100u/g原料，则糖化酶消耗量为：

此外，酒母糖化酶用量按200u/g<原料）计，且酒母用量为10%，则用糖化酶量为：

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6.316kg。

5.2.8硫酸铵耗用量：

硫酸铵用于酒母培养基的补充氮源，其用量为酒母量的0.1%,设酒母醪量为

则硫酸铵的消耗量为:

0.1%

.

5．3 蒸煮醪量的计算

根据生产实践,淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1:

3,故粉浆量为:

蒸煮过程使用直接蒸汽加热,在后熟器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。

假定用罐式连续蒸煮工艺,混合后粉浆温度为50℃,应用喷射液化器使粉浆迅速升温至105℃,然后进入罐式连续液化5-8min,在真空冷却器中闪急蒸发冷却至100℃后进入液化罐反应约100min,进真空冷却器冷却至60℃后入糖化罐糖化45min.

干物质含量

的玉M比热容为:

粉浆干物质含量为：

蒸煮醪比热容为:

式中 

—水的比热容[kJ/（kg·K>]

5.3.1经喷射液化器加热后蒸煮醪量为：

式中2748.9—喷射液化器加热蒸汽（0.5MPa>的焓（kJ/kg>

5.3.2 经液化维持管出来的蒸汽醪量为：

（温度降为102℃>

式中2253—液化维持管的温度为102℃下饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/kg>

5.3.3 经闪蒸汽液分离器后的蒸煮醪量为：

式中2182---100℃饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/kg>

5.3.4经真空冷却器后最终蒸煮醪液量为：

式中1413—真空冷却温度为60℃下的饱和蒸汽的汽化潜热（kg/kg>

5．4 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%，而且发酵醪酒精捕集器回收酒精洗水分别为成熟醪量的5%和1%，则生产1000Kg93%（体积分数>酒精成品有关计算如下:

5.4.1 需蒸馏的成熟发酵醪量为：

5.4.2若不计酒精捕集器和洗罐用水，则成熟发酵醪量为：

5.4.3 入蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度为：

（质量分数>

5.4.4 相应发酵过程放出

总量为：

5.4.5 接种量按10%计，则酒母醪量为

：

5.4.6 酒母醪的70%是糖化醪，其余为糖化剂和稀释水，则糖化醪量为: