年产10万吨的木薯酒精发酵工厂设计.docx
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年产10万吨的木薯酒精发酵工厂设计
武汉工业学院
毕业设计（论文）
毕业设计（论文）题目年产10万吨的木薯酒精发酵工厂设计
姓名王迪
学号040201217
院系生物与制药工程
专业生物工程
指导教师缪礼鸿博士
2008年5月26日
2absdract
Alcoholhasveryextensiveapplicationinagreatdealoffieldssuchaspeople’sdailylifeandscientificresearch.Thetradesandalcoholtradesofourcountryhavefastdevelopmenttrendsonearthintheworld。
Theoutputisincreasedprogressivelyyearbyyear.Theabilityforproducingalcoholofthefermentedlawwillbecomethesignofanationaleconomicstrength。
Thefermentedlawismainlytoutilizemicroorganismtohavenooxygentoferment，itsuckcandymateriallike，sugarcane,sweetpotato,carbohydrateinthematerialsuchasthemaizeareturnedintoethanol,turnintoalcohol.Thislawrawmaterialsourcesareabundant,theenvironmentalprotectionoftheproductionprocess,isworthpopularizinginamorecost—effectivemanner.Originallydesignthefermentedworkshopproducedtoalcoholtocalculatewiththeselectingtypeoftheapparatus,strivetomakethetheorycombinewithpractice.
Keyword：
AlcoholFermentedlawFermentedworkshop
摘要
酒精在人们日常生活以及科学研究等诸多领域都有很广泛的应用.世界酒精行业以及我国酒精行业都呈现快速发展趋势，产量逐年递增。
发酵法生产酒精的能力将成为一个国家经济实力的标志.发酵法主要是利用微生物无氧发酵,将含糖物质如，甘蔗，甘薯，玉米等物质内的糖类转化为乙醇，生成酒精.此法原料来源丰富，生产过程环保，值得大力推广。
本设计对酒精生产的发酵车间进行了计算和设备选型，力求理论和实践相结合。
关键词：
酒精发酵法发酵车间
一酒精的主要性质
无色、透明,具有特殊香味的液体（易挥发），密度比水小,能跟水以任意比互溶（一般不能做萃取剂）.是一种重要的溶剂,能溶解多种有机物和无机物。
外观与性状：
无色液体，有酒香。
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爆炸上限％（V/V）：
19.0爆炸下限％（V/V）：
3。
3溶解性:
与水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多数有机溶剂。
二.酒精的主要用途
酒精的用途按需求量多少可分为三方面：
用量最大的燃料酒精，调制酒精饮料用的食用酒精；化工医药用酒精。
1。
酒精是一种新能源，其优势在于发酵酒精属于可再生能源,乙醇不仅是一种优良燃料，它作为一种优良燃油品质改善剂被广泛使用，其优良特性主要有:
乙醇是燃油的增氧剂，是汽油燃烧完全,大大节能和环保的;乙醇具有很好的抗爆性能；乙醇是优于太阳能的一种生物转化能源，是可再生资源。
2。
合理利用酒精可提高白酒质量,充分利用酒精以提高白酒质量主要表现在：
降低邪咂味，适量调制优质酒精借以冲淡杂质，使酒味纯正，香味突出。
2.降低浑浊度，勾兑酒精酒体纯净，既卫生又安全，而且透明度高，加水不浑浊。
3。
酒精再医药方面的用途很广：
可作为大专院校及科研院所等的实验室以餐饮业的燃料；可作为细胞生物学实验和研究使用的优良的固定剂和脱水剂，可作为优良的防冻降温介质。
可作为燃料乙醛，乙酸，乙醚。
4.酒精工业的副产品大型酒精企业除主要生产酒精外,还有如下副产物：
优质颗粒饲料DDGS（全价干酒精糟）优质食用级CO2.CO2是发酵酒精相伴生产的数量最大的副产品。
高纯度食用级CO2除用做碳酸饮料外还有气体保护焊接,药物萃取，温室生产等方面有较广的用途；玉米油；玉米胚芽油是优质保健食品；玉米，小麦等为原料的大型究竟生产企业。
还可以生产玉米淀粉，葡萄糖浆，果糖浆，玉米蛋白等，杂醇油是某些食用香料的主要原料。
三。
世界酒精生产状况
目前，全世界酒精年产量约3394万吨。
其中美国和巴西的酒精产量占全球总产量的66％。
美国,巴西，中国，俄罗斯是世界酒精生产大国.2001年中国酒精总产量已跃居第三位。
四.我国酒精行业基本状况
我国的酒精工业始于1900年黑龙江哈尔滨市，建国前全国的总产量已居世界第三位.我国酒精总产量还不到一万吨，新中国成立后历经50年的发展初步形成了企业生产，工厂设计，科学研究，人才培训,综合利用,检验检测，产品销售等一个完整的酒精工业体系,中国的酒精产量已增长到300万吨，跃居世界第三。
其中年产5万吨以上企业10家.3万吨的企业20家，万吨以上的70家。
2000年我国政府燃料酒精规划的实施标志着中国酒精产业还要上一个台阶，2003年吉林（一期年产量30万吨）大型燃料酒精企业的投产。
说明中国酒精生产能力已接近世界先进水平，但有专家指出：
目前,中国玉米燃料酒精生产企业需进一步提高的工艺环节。
包括干法脱胚制油,中温双酶法糖化，浓醪连续发酵，多塔差温蒸馏,废热多效真空蒸发;CIP清洗系统等.2001年中国酿造酒工业协会酒精分会开始创办专业刊物《酒精》，说明中国酒精产业又开始了一个科研与生产相结合的新阶段。
五。
酒精工业发展趋势
随着酒精工业的不断发展，酒精工业已逐步从传统工艺的模式中解放出来。
广大工程技术人员都在努力研究和开发新工业,新设备,选育新的高产稳定的菌种。
由于世界范围内耕地面积都在不断减少。
以淀粉质原料生产酒精的比例也在减，以糖蜜为原料生产酒精的比例却有明显提高。
具有关报道，全世界酒精生产所用原料的各种比例为45%，石油裂解废气乙烯占0%淀粉质原料占16％.亚硫酸盐纸浆液占7％，野生植物约占12％。
这些数据表明,将来的酒精生产原料可能以含有可发酵性工业废气物为主。
为了进一步提高酒精生产工艺。
各国的工程技术人员都在研究新型的酒精发酵方法，如现在工业生产上应用的固定化细胞酒精发酵法,耐高温活性干酵母法等新的发酵工艺。
再设备方面也有不少生产反应器出现，如单罐连续搅拌反应器，酒母回用连续搅拌反应器，塔式反应器，细胞固定化反应器等，再新原料利用方面都有很大改进，以上所提到的酒精生产工艺和设备，再某些方面还存在不足之处。
但基本上反映了酒精工业今后的发展方向。
六。
酒精工业生产方法
目前酒精工业的生产方法，归结起来主要有两种类型：
一种是利用酒精酒母发酵生产酒精.另一种是利用石油原料采用化学合成方法生产酒精.我国农副产品资源丰富，所以，主要采用微生物发酵法。
微生物发酵法在采用不同发酵原料时生产酒精的工艺有所不同，主要分为淀粉质原料酒精生产工艺，糖蜜原料酒精生产工艺，工厂废液及纤维素原料酒精生产工艺等.常用淀粉质原料有薯类，谷物类,和某些含淀粉较多野生植物。
七.酒精国家标准
酒精质量标准是检验酒精蒸馏和管理水平的核心,一个国家的酒精质量标准是这个国家酒精产业能力和水平的标志，酒精质量国家标准是整个酒精企业生产活动的最主要的法规,酒精质量是酒精企业的生命线,不断提高酒精质量是企业永恒主题。
发酵法生产酒精的能力将成为一个国家经济实力的标志，因为作为可再生能源的酒精，在经历一个多世纪的发展中,始终与能源密切相关,特别是巴西从1975年就开始的甘蔗，糖蜜为原料生产酒精的成功实践，提醒各国政府:
10%以上能源添加储备在自己的国土上。
现在可以说石油利用干乙醇发酵的谷物等原料都源于太阳能的储备。
发酵法生产乙醇比石油更有优势的地方是发酵法效率高，原料年年种,年年收。
不用像开采石油那样投资巨大.根据当今农业。
酒精生产能力，改造汽油发动机和柴油发动机的能力，相信不久的将来，一个良性循环的能源资源将更多的出现在世人面前.
一.物料衡算
（一）100000吨淀粉原料酒精厂全厂物料衡算
1. 全厂物料衡酸的内容
（1）原料消耗的计算主要原料为甘薯干，其他原料有淀粉酶，糖化酶,硫酸氨，硫酸等。
（2）中间产品蒸煮醪，糖化醪,酒母醪,发酵醪等。
（3）成品,副产品以及废气，废水，废渣即酒精,杂醇油,二氧化碳和废糟等.
2。
工艺流程示意图
生产工艺采用双酶糖化，间歇发酵，如图
木薯料
空气种子
粉碎车间α-淀粉酶
空压机斜面培养
糊化车间糖化酶
过滤器三角瓶培养
酒母罐发酵车间
蒸馏车间
废糟酒精杂醇油
3. 工艺技术指标及基础数据
（1）生产规模100000吨/年酒精。
（2）生产方法双酶糖化，间歇发酵。
（3）生产天数每年300天。
（4）食用酒精日产量333。
33吨.
（5）食用酒精年产量100000吨.
（6）副产品年产量次级酒精占酒精总产量的2％.
（7）杂醇油量为成品酒精量的0.5%。
（8）产品质量普通三级酒精。
（乙醇含量95％体积分数）。
（9）甘薯干原料含淀粉76.9％，水分12。
9％。
（10）α—淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为150u/g原料,酒母糖化醪用糖化酶量300u/g原料。
（11）硫酸氨用量7kg/t（酒精）。
（12）硫酸用量（调PH用）5kg/t（酒精）。
4。
原料消耗的计算
（1） 淀粉原料生产酒精的总化学反应式：
糖化：
（C6H10O5）n+nH2O——nC6H12O6
16218180
发酵：
C6H12O6——2C2H5OH+2CO2
1809288
（2）生产1000kg无水酒精的理论淀粉消耗量有上式可求的理论上生产1000kg无水酒精所耗的淀粉量为：
1000×163÷92=1760.9（kg）
（3）生产1000kg三级酒精的理论淀粉消耗量普通三级酒精的乙醇含量在95％（体积分数）以上，相当于92。
41％（质量分数）,故生产1000kg普通三级酒精理论上须淀粉量为：
1760.9×92.41%=1627.2（kg）.
（4）生产1000kg普通三级酒精实际淀粉消耗量实际上，整个生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率。
据实际经验，各阶段淀粉损失率如表所示。
表一
生产过程各阶段淀粉损失
生产过程
损失原因
淀粉损失（％）
备注
原料处理
粉尘损失
0。
40
蒸煮
淀粉损失及糖分损失
0。
50
发酵
发酵残糖
1。
50
发酵
巴斯德效应
4。
00
发酵
酒汽自然蒸发与被CO2带走
1.30
有酒精扑集器为0。
30％
蒸馏
废糟带走等
1。
85
总计损失
9.55
假定发酵系统设有酒精扑集器，则淀粉损失率为8。
55％。
故生产1000kg普通三级酒精须淀粉量为：
1627.2=1779。
3（kg）
100％-8.55％
这个原料消耗水平相当于淀粉出酒率为1000÷1779。
3=56.2%，着达到了我国先阶段甘薯干原料生产酒精的先进出酒率水平。
（5）生产1000kg普通三级酒精甘薯干原料消耗量据基础数据给出,甘薯干原料含淀粉76。
7%，故1吨酒精耗甘薯干量为:
1779。
3÷76。
7=2319.8（kg）
若应用液体曲糖化工艺。
并设每生产1000kg酒精需要的糖化剂所含淀粉量为G1，则淀粉原料需用量为：
（1779.3-G1）÷76.7％
（6）—淀粉酶消耗量应用酶活力为2000u/g的α–淀粉酶使淀粉液化，促进糊化,可减少蒸汽消耗量。
—淀粉酶用量按8u/g原料计算。
用酶量为：
2319.8×1000×8=9.28（kg）
2000
（7）糖化酶耗用量若所用糖化酶的活力为20000u/g，使用量为150u/g原料，则糖化酶消耗量为：
2319。
8×100×0150=17。
4（kg）
20000
此外，酒母糖化酶用量按300u/g（原料）计，且酒母用量为10%，则用酶量为：
2319。
8×10%×70%×300=2。
44（kg）
20000
式中70％为酒母的糖化液占70%，其于为稀释水和糖化剂。
（8）硫酸氨耗用量硫酸氨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G0，则硫酸氨耗量为:
0。
1％G0
5.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：
3.3粉浆量为:
2319。
8×（1+3.3）=9975.14
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,因而十分复杂。
为简化计算，可按下述方法近似计算.
假定用罐式连续蒸煮工艺，混合后粉浆温度55℃，应用喷射液化器使粉浆迅速升温至88℃,然后进入连续液化器液化，再经115℃高温灭酶后，再真空冷却器中闪几蒸发冷却至63℃后入糖化罐。
其工艺流程图如图所示。
调
浆
桶
液
化
维持罐
维持罐
灭
菌
维持罐
汽液
分离
器
真
空
冷
却
器
喷
射
加
热
器
图一.粉浆连续蒸煮液化工业流程
干物质含量B0=87。
1%的薯干比热容为；
C0=4。
18（1-0.7B0）=1。
63[kJ/（kg。
K）］
粉浆干物质浓度为：
B1=87。
1/（4.3＊100）=20.3%
蒸煮醪比热容为:
C1=B1×C0+（1.0—B1×CW）
=20。
3%×1.63+（1。
0—20。
3%）×4.18
=3。
66［kJ/（kg。
K）］
式中Cw——水的比热容[kJ/（kg.K）］
为简化计算，假定蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程维持不便。
（1经喷射液化加热后蒸煮醪量为:
9975.14+9975。
14×3.66×（88-55）=10481。
1（kg）
2748。
9—88×4.18
式中2748。
9—-喷射液化器加热蒸汽（0。
5Mpa）的焓（kJ/K）
（2）经二液化维持罐出来的蒸煮醪量为：
10481.1–10481。
1×3。
66×（88-84）=10414。
0（kg）
2288.3
式中2288。
3-—第二液化维持罐的温度为84度下饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）
（3）经喷射混合加热器后的蒸煮醪量为；
10414。
0+10414。
0×3。
66（115-84）=10934。
9（kg）
2748.9—115×4.18
式中115——灭酶温度（摄氏度）
2748。
9——0。
5Mpa饱和蒸汽的焓（kJ/K）
（4）经汽液分离器后的蒸煮醪量：
10934.9—10934。
9×3.66（115—104.3）=10744。
2（kg）
2245
式中2245-—104。
3摄氏度下饱和蒸汽的汽化潜热（kg）
（5）经真空冷却后最终蒸煮醪量为：
10744。
2-10744。
2×3。
66（104.3—63）=10020。
8（kg）
2351
式中2351—-真空冷却温度为63摄氏度下的饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）
6。
糖化醪与发酵醪量的计算
社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）.并设蒸煮效率为98％，而且发酵罐酒精捕集器回收酒精洗水和洗罐用水分别为成熟醪量的5％和1％则生产1000kg95%（体积分数）酒精成品有关的计算如下:
（1） 的成熟发酵醪量为：
F1=1000×92。
41％×（100+5+1）÷100=124477（kg）
98%×8.01%
（2） 不计酒精捕集器和洗罐用水，则成熟发酵醪量为:
12477÷106％=11771（kg）
（3） 入蒸馏塔的城市醪乙醇浓度为：
1000×92.41%=7。
56%（质量分数）
98%×12477
（4） 相应发酵过程放出CO2总量为：
1000×92.41%×44=902（kg）
98%66
（5）接种量按10％计，则酒母醪量为:
11771+902×10%=1152.1（kg）
（100+10）÷100
（6） 化醪量酒母醪的70%是糖化醪,其余为糖化剂和稀释水，则糖化醪量为
11771+9021152。
1×70%=12327（kg）
（100+10）÷100
7.成品与发酵醪量的计算
（1）醛酒产量在醛塔取酒一般占成品酒的1.2％—3%，在保证主产品质量合格的前提下，醛酒量取得越少越好。
设醛酒量占成品酒精的2％,则生产1000kg成品酒精可得次品酒精两为:
100×2%=20（kg）
（2）普通三级酒精酒精产量每产生1000kg酒精，其普通三级酒精产量为：
1000—20=980（kg）
（3）杂醇油产量杂醇油通常为酒精产量的0.3％—0。
7％，取平均值0.5％，则淀粉原料生产1000kg酒精副产杂醇油量为：
1000×0.5％=5（kg）
（4）废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方及其挥发成分后的残留液。
此外,由于醪塔是使用直接蒸汽加热，所以还需加上入塔的加热蒸汽冷凝水。
醪塔的物料和热量蘅算如图所示：
醪
塔
V1
Q3=V1t
F1
Q1=1FC1t
D1Q4=Q4’+D1t4
Q1=1FC1t
Wx+D1
图二。
的物料和热量衡算
设进塔的醪液（F1）的温度t1=70度，排除废醪的温度t4=105度：
成熟醪固形物浓度为B1=7.5％，塔顶上升酒器的乙醇浓度50％（体积分数）即47。
18%（质量分数）。
则:
① 醪塔上升蒸汽量为:
V1=12477×7。
56=1999（kg）
47.18％
② 残留液量为:
Wx=12477-1999=10478（kg）
③ 成熟醪比热容为：
c1=4018×（1.019-0.95B1）
=4018×（1。
019-0.95＊7。
5%）
=3。
96［kJ/（kg.K）］
④ 成熟醪带入的热量为：
Q1=F1×c1×t1
=12477×3。
96×70
=3460000（kg）
⑤ 蒸馏残液固形物浓度为：
B2=F1×B1=12477×7.5％=8。
93%
Wx10478
此计算是间接加热，故没有蒸汽冷凝水的工艺。
⑥ 蒸馏残液的比热容为：
C2+4018（1-0。
378B2）=4。
03[Kj/（kg.K）]
⑦ 塔底残留液带出热量为：
Q4=Wx×c2×t4
=10478×4。
03×105
=4430000（kJ）
查附表得50%（体积分数）酒精蒸汽焓为I=1965kJ/kg，故有：
⑧ 上升蒸汽带出热量为：
Q3=V1×I
=199×1965
=3930000（kJ）
塔底采用0.05Mpa（表压）蒸汽加热，焓为2689。
8kJ/kg；又蒸馏过程热损失Qn可取为传热总热量的1%。
根据热量衡算,可得消耗的蒸汽量为：
D1=Q3+Q4+Qn—Q1
I—cwt4
=3930000×4430000-3460000
（2689。
8-418000）×99%
=2199（kg）
若采用直接蒸汽加热,则塔底排出废醪为：
Wx+D1=10478+2199=12677（kg）
8。
100000吨/年淀粉原料酒精厂总物料衡算
前面对淀粉原料生产1000kg酒精（95%）进行了物料平衡计算，以下对100000吨/年甘薯干原料酒精厂进行计算.
（1） 酒精成品
日产普通三级酒精为：
100000÷300=333.33（t）
日产次级酒精为：
333.33×（2÷98）=6.80（t）
日产酒精总量为：
333.33+6.80=340.13（t）
实际年产量为：
普通三级酒精量为：
333.33×300=100000（t/a）
次级酒精量为：
6.80×300=2040（t/a）
酒精总产量为：
100000+2040=102040（t/a）
（2） 主要原料甘薯干用量
日消耗量：
2319.8×340.13=118356.20（kg）
年消耗量:
118356.20×300=35506。
86（kg）
淀粉酶、糖化酶用量以及蒸煮粉浆量、糖化醪、酒母醪、蒸煮发酵醪等每日量和每年量均可算出，衡算结果见表。
15000吨/年淀粉原料酒精厂物料衡算表
数量
物料
生产1000kg95％
酒精物料量（kg）
每小时数量
（kg）
每天数量
（t）
每年数量
（t）
普通酒精
980
13917
334
100000
次级酒精
20
292.5
7。
02
2106
甘薯干
2319。
8
32962
791.1
237329
α—淀粉酶
928
19.3
0。
464
139。
2
糖化酶
23.37
33.8
0。
811
243.3
硫酸氨
1.15
1.66
0。
04
120
硫酸
5.0
10。
4
0。
25
75
蒸煮粉浆
9975.14
20781。
5
498。
76
149627.1
成熟蒸煮醪
10020.8
20876.7
501.04
150312
糖化醪
12327
25681.25
616。
35
184905
酒母醪
1152.1
2400。
2
57。
6
17281.5
蒸煮发酵醪
12477
25993.75
623.85
187155
杂醇油
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