食用酒精生产工艺工厂设计.docx

1、食用酒精生产工艺工厂设计课程设计说明书 课 程 名 称: 生物工程工厂设计课程设计 设 计 题 目: 食用酒精工艺设计 学院(直属系) : 环境工程学院 年级 、专业: 生物081班 学 生 姓 名: 代会霞 学 号: 0805151002 指 导 教 师: 赵丽荣 开 始 时 间: 2011 年 6 月 1 日完 成 时 间: 2011 年 6 月 10 日摘要4引言4设计任务4 一 淀粉质原料酒精生产工艺 51淀粉质原料酒精生产的流程 62 预处理2.1原料除杂62.2原料粉碎73 原料输送884原料预处理流程 85 原料的水-热处理88 5.3 连续蒸煮工艺96 糖化工艺106.2 糖化

2、的目的 106.3 淀粉的水解动力学 106.4 糖化过程中物质的变化 116.5 糖化方法 116.6 糖化过程的控制 12 7 酒精酵母12 127.2 酵母的生长条件 137.3 生物合成和发酵产品的糖耗 137.4 污染酵母的净化的方法 137.5 影响酵母质量的主要因素 138 糖化醪的发酵8.1 酒精发酵的要求 148.2 酒精发酵机制 158.3 酒精的发酵动力学 159. 发酵成熟醪的蒸馏和精馏9.1 原理 199.2 发酵成熟醪的化学组成 199.3 酒精蒸馏精馏的工艺流程和操作 199.4 酒精蒸馏精馏装置的操作 209.5 酒精的化学处理21 9.6 蒸馏过程中酒精的损失

3、21二 食用酒精生产的物料衡算1 酒精生产工艺技术指标212 工艺流程图 见具体图纸223 原料消耗计算（以生产1000kg国标食用酒精为例） 22 243.3煮醪量计算 253.4品与发酵醪量计算 263.5成品与发酵醪量计算 264 根据要求实际原料耗算一览表 275 生产设备相关计算粉浆罐 29蒸煮锅和后熟器 295.3 酒母罐 295.4 糖化罐 305.5 发酵罐 30粗馏塔和精馏塔 305.7 搅拌器 305.8 其他设备 306 生产设备一览表317 生产布置说明328 参考文献32摘要根据要达到80000吨/年的食用酒精生产水平的要求设计其生产工艺，按照流程进行实验室生产，最后

4、扩大为工业化食用酒精生产。在生产过程中根据传统工艺流程，在预处理、糖化、发酵，蒸馏等方面进行适当的改进，选用较为先进的方法和设备，使原料和投入得到最大的利用，并以节省原料、降低生产成本、提高生产效率为原则，从而设计出达到80000吨/年的食用酒精生产水平的最佳工艺。 关键词：预处理 糖化 发酵 蒸馏 According to reach 80,000 tons/year of edible alcohol production level requirement design its production process, according to the process, finally t

5、o expand production laboratory industrialization edible alcohol production. In the process of production according to the traditional process, the pretreatment, saccharification and fermentation, distillation, etc, choose appropriate improvement methods and advanced equipment and raw materials and i

6、nput maximizing utilization, and to save raw material, reduce production cost, improve production efficiency for the principle, thus designed reach 80,000 tons/year of edible alcohol production level the optimal process.Keywords: pretreatment saccharification and fermentation distillation引 言酒精生产过程是将

7、淀粉质原料预制成葡萄糖，通过其与酵母发酵使其转化为含酒精混合物，再通过精馏分离制得乙醇的过程。在理论上来说者这是个简单的过程，但是要想在一个大规模的水平上获得最大效率，却需要依靠生物学和工程的结合。设计任务以薯类和玉米等淀粉质，采用发酵的方法生产酒精。生产规模为80000吨/年，生产中不能有次级酒精产品，全部为国标普通级食用酒精。3/4的食用酒精用薯干作原料，1/4的食用酒精用玉米作原料。4.根据生产方法的选择原则，确定普通级食用酒精的具体生产方法，详细说明理由。5.确定生产中原料、辅料消耗量及副产品生产量。并根据物料衡算结果，初步选择生产设备，绘制带控制点工艺流程图6.根据厂区总平面布置的基

8、本原则，在自己设定的厂区平面上，将酒精生产的各个车间（包括辅助车间）合理的布置在厂区平面上。7.根据初步设计阶段设备布置的基本原则，进行蒸煮糖化车间设备布置设计。一 淀粉质原料酒精生产工艺 淀粉质原料酒精生产的特点 （1）淀粉是以淀粉颗粒的形式存在于原料的细胞之中，为了使淀粉能最 终转化成酒精，首先要创造条件，使淀粉有可能从细胞中游离出来。为此,原料要粉碎，以破坏植物细胞组织，便于淀粉的游离。 （2）采用水热处理，使淀粉糊化-液化，并破坏细胞，形成均一的醪液，使它能更 好地接受酶的作用并转化成为可发酵性糖。所以，淀粉质原料粉碎以后要加水拌成浆液并进行加热处理。多年来都是采用高压，高温的水-热处

9、理方法，即高压蒸煮的方法；近年来低温常压的水-热处理方法，即低温蒸煮或80-85 C液化法得到了广泛的推广和应用。本次试验要求为高压蒸煮，即416k，5个大气压（表压）蒸煮。（3）糊化或液化淀粉只有在催化剂的作用下才能转成葡萄糖，这种催化剂可以是硫酸等无机酸，也可以是淀粉酶这类生物催化剂。目前国内外酒精生产上用的是淀粉酶系统。淀粉酶系统主要是糊化酶（一般是细菌-淀粉粉酶,因其更耐高温）和糖化酶，-淀粉粉酶水解淀粉的产物主要是糊精，糖化酶则主要把糊精转化为可发酵的葡萄糖。1 薯干和玉米都属于淀粉质原料，下面为淀粉质原料酒精生产的流程 淀粉质原料 除杂粉碎 粉 料 加水调浆 粉 浆 加-淀粉酶喷射

10、液化 粉浆液化液 加入糖化酶糖化 取小部分加入酵母 糖 化 醪 酒母 加入酒精酵母进行酒精发酵 CO2 酒精发酵醪 蒸馏 其他产品或杂质 废 醪 酒精 从上述流程可见，淀粉质原料酒精生产是由原料预处理，原料的水-热处理（原料的蒸煮），糖化剂生产，糖化，酒母制备，发酵和蒸馏等工段组成的。下面分别对上述诸工段作详细的介绍。 淀粉质原料在正式进入过程前，必须进行预处理，以保证生产的正常进行提高生产的效益。预处理包括除杂和粉碎两个工序。2.1 原料的除杂2.1.1 必然性 淀粉质原料在收获和干燥的过程中往往会掺杂进泥土，沙石，纤维质杂物，甚至金属块等杂物。这些杂质如果不在投入生产前予以除去，则将严重影

11、响生产的正常运转。石块和金属杂质会使粉碎机的筛板磨损或损伤，造成生产的中断；机械设备的运转部位。泥沙等杂质的存在也会影响正常的发酵过程。清除杂质，保证生产正常和顺利地进行，这就是除杂的目的。2.1.2 方法 （ 筛选 风选 磁力除铁）2.1.2.1 气流-筛选分离器用于谷物原料除杂用。凡是厚度和宽度或空气动力学性质与所用谷物不同的杂质，都可以用气流-筛选分离器将其分离。2.1.2.2 磁力除铁器 铁质杂质通常用磁力除铁器来分离。磁力除铁器分永久性磁力除铁器和 电磁除铁器两类。2.2 原料的粉碎2 原料粉碎的必然性 对于连续蒸煮来说，原料必需预先进行粉碎，才能进一步加水制成粉浆，然后再用泵连续均

12、匀地送入连续蒸煮系统。所以对于连续蒸煮来说，原料粉碎是一个前提。原料进行水-热处理的目的是要使包含在原料细胞中的淀粉颗粒能从细胞中游离出来，充分吸水膨胀，糊化乃至溶解，为随后的淀粉酶系统作用，并为淀粉转化成可发酵性糖创造条件。达到这个目的。可以采用整粒原料高压蒸煮，粉碎原料较和缓条件下蒸煮和超细粉碎三种方法。就目前的情况来看，先将原料粉碎，再在缓和的条件下进行蒸煮是较好的方法。2 原料粉碎的方法 (干式粉碎 湿式粉碎） 干式 ： 干式粉碎应采用粗碎和细碎。 粗碎：原料过磅称重后，进入输送带，电磁除铁后进行粗碎。粗碎后的物料以薯干为列应能通过6-10mm的筛孔，然后在送去进行细粉碎 。 筛孔的（

13、适合玉米粉）。 湿式 ：湿式粉碎是指粉碎时将拌料用水与原料一起加到粉碎机中去进行粉碎。3.原料的输送 （本设计采用气流输送） 3.1气流输送俗称凤送。是利用气流管子中输送物料。它的简单原理就是：固体物料在垂直向上的气流中受到两个力的作用，一个是向下的重力，一个是向上的推力，如果推力大于重力，则物料被气流带动向上运动，从底部移到高位。举例：甘薯和玉米进入接料器，它就被吸料管中的上升气流带动，从低位运送到高位，原料中的金属，泥土和石块等杂质，则因相对密度较大，不能为气流所带走而留在接料器底部或直接落在地上。3.2 选择气流输送的原因：（1）采用气流输送后，输料管和粉碎设备均在密闭负压的条件下进行运

14、转，粉 尘飞扬基本消除，原料损失和劳动条件恶劣两个问题均迎刃而解。（2）实现气流输送后，铁片，石块等杂物，能较可靠地在一级升料管的接料器底部被自动风选出来，从而保证了筛子和设备较长期的完好使用。（3）采用气流输送后。粉料被气流从粉碎机中吸出，从而可提高锤碎机能力百分之五十。（4）机械输送动力消耗低。4原料预处理流程原料 称重 倒包 皮带输送 除铁 粗碎 斗式提升机 料斗 细粉碎 吸风管 旋风分离器 粉料 闭风机 料斗 加料器（绞龙） 拌料预煮罐 风机 布袋过滤器 大气 细粉回收5 原料的水-热处理5.1原料水-热处理的目的 含在原料细胞中的淀粉颗粒，由于植物细胞壁的保护作用，不易受到淀粉酶系统

15、的作用。另外，不溶解状态的淀粉被常规糖化酶糖化的速度非产的缓慢，水解程度也不高。所以，淀粉原料在进行糖化之前一定要经过水-热处理，使淀粉从细胞中游离出来，并转化为溶解状态，以便淀粉酶系统进行糖化作用，这就是原料水-热处理的主要目的。5.2 原料水-热处理的理论基础5淀粉的结构和理化性质（1）淀粉颗粒的形状淀粉颗粒呈白色，不溶于冷水和有机溶剂，颗粒内部呈复杂的结晶组织。不同的淀粉颗粒具有不同的形状和大小。一般来说，含水分高，蛋白质少的植物其淀粉颗粒较大，形状也比较整齐，大多数呈圆形或卵形，如甘薯的淀粉。同一淀粉的颗粒大小也不均匀。淀粉颗粒具有抵抗外力作用较强的外膜，其化学组成与内层淀粉相同，但由

16、于水分较少，密度较大，故强度较大。（2）淀粉分子的结构 淀粉分子是有许多葡萄糖基团聚合而成的。根据淀粉分子链结构的不同，淀粉可分成直链和支链淀粉两类。直链淀粉溶解于70-80 C的温水中。支链淀粉具有分支，它不溶解于温水中。它也是由葡萄糖基团组成。（3）淀粉的膨胀和溶解淀粉在水中加热，即发生膨胀。这是淀粉颗粒好像是一个渗透系统，其中支链淀粉起着半透膜的作用，而渗透压的大小及膨胀程度则随温度的增高而增高。从40C开始，膨胀的速度就明显加快。当温度升高到一定数值（60-80C）时，淀粉颗粒的体积膨胀至原来体积的50-100倍时，淀粉分子之间的联系削弱，引起淀粉颗粒的部分解体，形成了均一的粘稠液体。

17、这种无限膨化的现象为淀粉的糊化。与此相应的温度叫做糊化温度。糊化现象发生后，如果温度继续上升，并达到130 C左右时，因为支链淀粉也已几乎全部溶解，网状组织彻底破坏，淀粉溶解变成粘度较低的流动性醪液，这种现象称为淀粉的溶解。（4）淀粉糊化醪的“反生”现象液化了的淀粉醪液在温度降低时，粘度会逐步增加。冷到60C时，变得非常粘，到55C以下会变成冻胶，时间一长，则会重新发生部分结晶的现象。5淀粉质原料各组成分在蒸煮过程中的变化（1）淀粉的变化 淀粉的水解变化。（2）糖的变化 （己糖 戊糖 焦糖 氨基糖）（3）纤维和半纤维素 纤维素是植物细胞壁的主要成分。半纤维素在蒸煮过程中会部分溶解和水解。（4）

18、果胶质 果胶质是细胞壁的组成成分，也是细胞间层的填充剂，其化学结构是由半乳糖醛酸或半乳糖醛酸甲酯组成的链状化合物。（5）含氮物，脂肪和其他物质的变化5蒸煮过程中可发酵性物质的损失5.3连续蒸煮工艺5 连续蒸煮工艺应满足的要求 （1）原料的粉碎（2）粉浆的预煮预煮醪的蒸煮（4）蒸煮醪的汽液分离5 连续蒸煮的工艺流程本设计方案用塔式连续蒸煮工艺流程5.1塔式连续蒸煮工艺流程的主要特点即选择原因：因为评价一个工艺的主要技术经济指标有：出酒率，原料粉碎和拌料的电耗，蒸汽消耗，设备价值和安装费用，劳动力消耗等。我们就从这几个方面谈起。连续蒸煮在出酒率方面都比间歇蒸煮高原因在于蒸煮条件的较为和缓和可发酵性

19、物质损失的减少。且其所需要的工人数也比间歇工艺减少，劳动生产率因此提高。综合所有因素，塔式连续蒸煮工艺流程的出酒率高，电耗和蒸汽量则是最低，相比其他的方法。新建连续蒸煮装备时，应采用塔式连续蒸煮工艺。 6 糖化工艺6.1糖化剂的定义 用淀粉质原料生产酒精时，在进行酒精发酵前，一定要事先将淀粉全部或部分转化成葡萄糖等可发酵性糖，这一淀粉转化为糖的过程称为“糖化”，而促使淀粉转化成糖的生物催化剂称为“糖化剂”。6.2 糖化的目的 淀粉质原料蒸煮以后得到的蒸煮醪，或者无蒸煮工艺的醪液，在发酵前均要加入一定数量的糖化剂，使淀粉在淀粉酶系统的作用下水解成酵母能发酵的糖类。淀粉转变为糖的这一过程，称为糖化

20、。糖化后的醪液称为糖化醪。主要目的还是将淀粉酶解成发酵性糖6.3 淀粉的水解动力学 （1）酶的浓度 当糖化剂的活性相同，计算方法和其他条件也一样时，随着糖化剂用量的增加，酶的浓度和有效酶-基质复合物的量也增加，因此，淀粉的水解速度也加快。但是，在没的数量和糖化时间之间并不存在明确的比例关系。糖化醪的发酵速度随着酶的添加量的增加明显加快。 （2）温度随着温度的升高，基质分子反应能力提高，因为动能增加了，同时电子也处于能量较高轨道上。不同的微生物来源的酶，其适应的温度范围是不同的。 （3）氢离子浓度氢离子浓度可以从许多方面来影响酶的活性。改变没的活性中心的电子化，改变蛋白质三相结构的稳定程度等等。

21、每一个酶都有一个最合适的作用PH值，这就是酶作用的最适PH。酶的来源不同，它们的最合适PH也不一样，而且作用温度不同，最适合PH值也会变化。6.4 糖化过程中物质的变化 （1）碳水化合物 （2）含氮物质2.0倍。这些小分子的氨基酸是酵母菌体增殖的良好营养分。 （3）果胶物质和半纤维素在糖化过程中，醪液中的果胶质和半纤维素会有不同程度的水解，并生成相应的水解产物。 （4）含磷化合物在磷酸酯酶的作用下，磷从有机化合物中被释放出来，这对酵母的生长和发酵都有重要的意义，醪液的缓冲性能也得到改善。6.5 糖化方法6 糖化过程的组成 蒸煮醪冷却至糖化温度；加糖化剂，使蒸煮醪液化，淀粉糖化，物料的巴斯灭菌；

22、糖化醪冷却到发酵温度和用泵将醪液送往发酵或酒母车间。6 连续糖化工艺6.1类型混合冷却连续糖化，真空冷却连续糖化，二级真空冷却连续糖化。6.2方法（本实验选择真空冷却连续糖化）原因：利用原有糖化设备，糖化工序仍放在原有糖化锅中进行，而在糖化前采用一个气液分离器真空条件下先将醪液冷却至糖化温度。6.3操作 先用间歇操作方法制备一锅60 C糖化醪，在开动搅拌器和开大冷却水前提下，连续从后熟器或蒸汽分离器送入蒸煮醪。固体曲曲乳、液体曲，或糖化醪稀释液不断从贮罐定量地流入。糖化醪则以锅底醪经往复泵送往喷淋冷却器，冷却到30C的糖化醪送往发酵车间，送往酒母车间的糖化醪不必经后冷却。只要单位时间由蒸煮醪带

23、入的多余热量和冷却水单位时间带走的热量相等，则糖化锅内的醪液的温度就可以维持在60C，持久不变，只就是混合冷却连续糖化工艺的使之所在。6.6 糖化过程的控制（1）糖化温度 在蒸煮醪时，不宜采用糖化酶的最适作用温度，因为酶稳定的最适温度比其他作用的最适温度低。所以在最适作用温度下进行糖化，虽然糖化速度提高了，但是酶的失活率也比较高，不利于在发酵过程中进行的淀粉后糖化作用。（2）糖化时间糖化30min就够了，醪中所含的糖已经够酵母最初繁殖和发酵的需要。而且糖化时间再延长，不仅糖含量增加较慢，而且糖化酶失活量增加，这会造成发酵过程中边发酵边糖化作用的削弱，综合效果反而恶化。另外，糖化时间过长会降低糖

24、化设备的利用率。 (3 )糖化剂的用量过多的糖化剂的使用会增加成本。（4）糖化醪质量检测主要测定外观糖和酸度。（5）糖化设备的清洗和灭菌凡是因故停止送糖化醪达15min以上者，一定要用水或蒸汽将管道中的糖化醪放空冲洗干净。喷淋冷却器等设备的结构要能排污和没有死角。7酒精酵母7.1酒精生产对酵母的要求（1）应具有较高的发酵能力，即能快速并完全地将糖分转化为酒精。（2）繁殖速度快，即具有高的比生长速度。（3）具有高的耐酒精能力，即对本身代谢产物的稳定性高，因而可以进行浓醪发酵。（4）抵抗杂菌能力强，即对杂菌代谢产物的稳定性高，耐有机酸能力强。（5）对培养基的适应性强，耐高温，耐盐，耐干物质浓度的性

25、能强。7.2 酵母的生长条件（1）温度和PH酵母生存和繁殖的温度范围很宽，但是，其正常的生活和繁殖温度是29-30C。在很高或很低的温度下，酵母的生命活动削弱或停止。酵母发育的最高温度是38C，最低温度为-5C，在50C时酵母死亡。（2）酵母对营养物质的要求由于酵母的化学组成与培养基，培养条件和酵母本身所处的生理状态有关，所以，可以根据酵母的化学组成来讨论其对营养物质的需求。（3）营养来源酵母的营养区分为内部营养和外部营养两类。在外部营养时，营养物质是从培养基进入细胞，而内部营养时，酵母利用自己的贮存物质：肝糖，海藻糖，脂类，含氮化合物。（4）其他因素糖化醪的浓度 ,无机酸和有机酸的影响，钙，

26、铁，镁，离子的作用。7.3 生物合成和发酵产品的糖耗酒精发酵是无氧型呼吸，这种呼吸在能量方面比有氧呼吸不合算，因为，分解1mol糖，生产酒精和二氧化碳时，只释放出117.23热量，而糖燃烧成水和二氧化碳时，要释放出2821.90KJ热量。所以在发酵时，酵母要分解许多倍于呼吸所要的糖，以获得所要的能量。酒精生产实际上就是利用这一点来制备更多的酒精。就这样，原生质的合成和糖分解生成发酵主产品和副产品，这两个性质相反的过程，在酵母的生命活动过程中紧密地连接在一起，称为其物质代谢的两个方面同化和异化。7.4 污染酵母的净化的方法往久母醪中添加硫酸，浓硫酸事先用8-10倍的水稀释，然后加到要净化的酒母醪中，使其酸度达8.5度，保持3-4h。此时，醪液的PH应是2.7-3.酸化处理后的死细胞不应超过百分之五十，否则应适当缩短处理时间。净化处理后的酒母醪新流加久母醪，但其酸度应较常规的糖化醪低，一般比常规酸度低0.5-1度。7.5 影响酵母质量的主要因素（1）接种与成熟久母细胞数的关系对于同一种酒母糖化醪，接种量过大，则新增酵母细胞数相应减少；接种量太小，因酵母世代数增加，新鲜强壮的酵母量也会相应的减少。（2）接种量与培养时间的关系接种量变大，培养时间就缩短，工厂中如采用分割法培养小酒母或大酒母成熟时间以成倍缩短。