淀粉原料燃料酒精厂全厂总物料衡算11.doc

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1、 生物工艺设计 大型作业 题 目： 11000t/a淀粉原料酒精厂全厂总物料衡算 学 院： 化学与材料工程学院 专 业： 生物工程 小组成员: 郭伟、董凯翔、姚宏、刘佐兵 指导教师： 黄卫东 刘颋 2013年 12 月 26 日目录1 前言11.1 酒精发酵简介11.2 酒精发酵的原理21.2.1 酶水解21.2.2 酒精发酵21.3 目前酒精发酵方式的比较32 生产工艺42.1 生产产量及方案42.2 生产方法的选择42.3 主要工艺参数43 全厂物料衡算的内容53.1 原料消耗的计算53.1.1 淀粉原料生产酒精的总化学反应式53.1.2 生产1000kg燃料酒精的理论淀粉消耗量53.1.

2、3 生产1000kg国际食用酒精的理论淀粉消耗量 63.1.4 生产1000kg食用酒精实际淀粉耗量63.1.5 生产1000kg食用酒精玉米原料消耗量63.1.6 -淀粉酶消耗量73.1.7 糖化酶耗量73.1.8 硫酸铵耗用量73.2 蒸煮醪量的计算73.2.1 经喷射液化器加热后蒸煮醪量83.2.2 经液化维持管出来的蒸汽醪量83.2.3 经闪蒸汽液分离器后的蒸煮醪量83.2.4 经真空冷却器后最终蒸煮醪液量93.3 糖化醪与发酵醪量的计算93.3.1 需蒸馏的成熟发酵醪量93.3.2 成熟发酵醪量93.3.3 入蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度93.3.4 发酵过程放出总量93.3.5 酒母醪量

3、93.3.6 糖化醪量103.4 成品与发酵醪量的计算103.4.1 醪塔上升蒸汽量103.4.2 残留液量103.4.3 成熟醪比热容103.4.4 成熟醪带入塔的热量103.4.5 蒸馏残留液固形物含量103.4.6 蒸馏残留液的比热容113.4.7 塔底残留液带出的热量113.4.8 上升蒸汽带出热量113.5 生产11000t/a酒精的物料衡算113.5.1 酒精成品113.5.2 主要原料木薯干用量124 设计总结13参考文献141 前言1.1 酒精发酵简介 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

4、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

5、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：需要基因工程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

6、工程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。11.2 酒精发酵的原理1.2.1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

7、，再由麦芽糖酶作用，生成葡萄糖。其总的反应式如下：（C6H10O5）n + H2O 淀粉酶 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：-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-1，6糖苷链不起作用，但能越过此键，从分于内部水解-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。-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

8、为麦芽糖。但也不能作用于-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-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（-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-1，6糖苷键。异淀粉酶（R酶）它专门水解-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。1.2.2 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 2

9、CH3COCOOH + 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 + Q1mol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。1.3 目前酒精发酵方式的比较

10、 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

11、严格。22 生产工艺2.1 生产产量及方案产量：年产酒精11000吨产品品种：含乙醇93%（V）相当于92.4%（W）食用酒精2.2 生产方法的选择工艺方法：利用玉米为原料，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。 图1 酒精生产工艺流程简图3 2.3主要工艺参数：年生产天数：300天 玉米含水：15%玉米粉产率：87%玉米含淀粉：63%玉米淀粉实际出酒率：53%发酵周期： 60h原料粉碎率： 2.5mm原料加水比：1：3-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

12、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%（V/V）相当于8.01%（质量分数） 3 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：主要原料为玉米，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。3.1 原料消耗的计算3.1.1 淀粉原料生产酒精的总化学反应式为：糖化： （1） 162 18 180发酵： （2） 180 46 44 3.1.

13、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。3.1.3 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： 3.1.4 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。 表一 酒精生产各过程各阶段淀粉损失表生产过程损失原因

14、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米原料生产酒精的先进出酒率水平。3.1.5生产1000kg食用酒精玉米原料消耗量据基础数据给出，玉米原料含淀粉63%，故1吨酒精耗玉米量为： 3.1.6 -淀粉酶消耗量应用酶活力为20000u/g的-淀粉酶使淀粉液化,促进糊化,可减少蒸汽消耗。-淀粉酶消耗量按8u/g原料计

15、算. 用酶量为: 3.1.7 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。3.1.8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% .3.2 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

16、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.干物质含量的玉米比热容为: 粉浆干物质含量为：蒸煮醪比热容为: 式中水的比热容kJ/(kgK)3.2.1 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)3.2.2 经液化维持管出来的蒸汽醪量为：(温度降

17、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)3.2.3 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)3.2.4 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)3.3 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:3.3.1 需蒸馏的成熟发酵醪量为：3.3.2 若不计酒精捕

18、集器和洗罐用水，则成熟发酵醪量为：3.3.3 入蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度为：(质量分数)3.3.4 相应发酵过程放出 总量为：3.3.5 接种量按10%计，则酒母醪量为：3.3.6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:3.4 成品与发酵醪量的计算废醪量是进入蒸馏塔的成熟发酵醪减去部分水和酒精成分及其他挥发组分后的残留液。此外，由于醪塔是使用直接蒸汽加热，所以还需要加上塔的加热蒸汽冷凝水。设进塔的醪液（）的温度=70，排除废醪的温度：成熟醪固形物含量为，塔顶上升酒气的乙醇浓度50%（体积分数）即47.18%（质量分数）。则：3.4.1 醪塔上升蒸汽量为： 3.4.2 残留液量

19、为： 3.4.3 成熟醪比热容为：3.4.4 成熟醪带入塔的热量为：3.4.5 蒸馏残留液固形物含量为： 3.4.6 蒸馏残留液的比热容为：3.4.7 塔底残留液带出的热量为：查附录得50%（体积分数）酒精蒸汽焓,故有：3.4.8 上升蒸汽带出热量为：塔底采用0.05（表压）蒸汽加热，焓为；又蒸馏过程热损失可取为传递总热量的1%。根据热量衡算，可得消耗的蒸汽量为：若采用直接蒸汽加热，则塔底排除废醪量为： 3.5 生产11000t/a酒精的物料衡算 前面对玉米干淀粉原料生产1000kg燃料酒精（93%，体积分数）进行了物料平衡计算。以下对11000t/a玉米干原料燃料酒精厂进行计算。3.5.1

20、酒精成品日产燃料酒精量为： 年产燃料酒精量为：3.5.2 主要原料木薯干用量日耗量为： 年耗量为： 淀粉酶、糖化酶用量以及蒸煮粉浆量、糖化醪、酒母醪、蒸馏发酵醪等每日量和年产量均可算出，结果如下表： 表二 11000t/a淀粉原料酒精厂物料衡算表产量项目生产1000kg93%酒精物料量（kg）每小时数量(t)每天数量(t)每年数量(t)燃料酒精 1000 1.54 37 11100玉米干原料 2770.0 4.23 101.6 30470-淀粉酶 1.108 0.00169 0.0406 12.188糖化酶 6.316 0.0096 0.2316 69.476硫酸铵 1.16 0.0018 0

21、.0425 12.76蒸煮粉浆 11080.0 16.928 406.27 121880成熟蒸煮醪 10736.1 16.402 393.657 118097.1糖化醪 1971.3 3.012 72.281 21684.3酒母醪 1159.6 1.772 42.519 12755.6蒸馏发酵醪 12558.3 19.186 460.471 138141.3二氧化碳 907.7 1.387 33.282 9984.7废醪12737.1 19.459 467.027 140108.14 设计总结本次设计是在黄老师的悉心指导和我们组成员的共同努力下完成的。在这次设计中我们学到了很多东西。首先我们学

22、会了合作，常言道“三个臭皮匠顶个诸葛亮”,在做设计的过程中，我们分为几个组，各个组负责不同的部分，大家先是分别查阅相关资料，然后汇总在一起，一起讨论设计过程中的错误和不足，在大家的共同努力下，我们终于大致完成了整体的设计。其次，在做设计之前我们查阅很多相关资料,这不仅丰富了我们的专业知识，也让我们学会了如何利用各种工具查阅资料。再次，通过具体地设计和计算，让我们掌握了酒精生产的全部过程以及物料衡算过程。只有通过自己的亲身实践，我们才能更好地掌握相关的知识。设计的选题，设计的指导直至设计的完成始终凝结着老师的心血，老师严谨的治学作风和执着的敬业精神在潜移默化地教诲我们，在学习上给我们的指导将让我们终生收益。在设计过程中，大家互相帮助，一起讨论，这在无形之中培养了大家的知识应用能力和团队合作精神。当然由于我们的水平有限且时间仓促，设计过程中难免出现错误。我们诚恳的希望老师能够批评指正，因为只有这样我们才能有更大的提高。在这里再一次感谢一直指导我们的老师，正是因为有你们的悉心指导我们才能在有限的时间内完成这次大型作业！ 参考文献1 梁世中 主编. 生物工程设备M. 北京：中国轻工业出版社，2011.12吴思芳 主编. 发酵工厂工艺设计概论M. 北京：中国轻工业出版社，2006.73郑裕国 主编. 生物工程设备M. 北京：化学工业出版社，2007