课程的设计醋酸发酵生产.docx
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课程的设计醋酸发酵生产
湖北大学
发酵工程与设备课程设计
题目醋酸的发酵生产
专业年级05生物工程
学生姓名刘进
学号205221107210003
指导老师李亚东
2008年6月23日
1前言………………………………………………………………………………………….3
1.1醋酸简介………………………………………………………………………………….3
1.2全球醋酸的生产状况…………………………………………………………………….3
1.3国外生产研究现状……………………………………………………………………….3
1.4国内醋酸的生产状况如下……………………………………………………………….3
1.5国内生产研究现状……………………………………………………………………….3
1.6主导生产方法…………………………………………………………………………….4
1.7食用醋酸生产研究现…………………………………………………………………….4
1.8生产技术的革新与改造………………………………………………………………….4
1.8.1纯种固态食醋生产技术的建立……………………………………………………….4
1.8.2纯种液态食醋生产技术的建立……………………………………………………….4
1.8.3传统酿造食醋的技术改造…………………………………………………………….4
1.9我国目标………………………………………………………………………………….4
2发酵机制…………………………………………………………………………………….4
2.1淀粉水解………………………………………………………………………………….4
2.2酒精发酵………………………………………………………………………………….4
2.2.1精发酵微生物………………………………………………………………………….4
2.2.2酒精发酵中的物质变化………………………………………………………………4
2.3醋酸发酵…………………………………………………………………………………5
2.3.1醋酸发酵微生物………………………………………………………………………5
2.3.2醋酸发酵中的物质变化…………………………………………………………….5
2.4醋酸的提取………………………………………………………………………………5
3发酵工艺及特点……………………………………………………………………………5
3.1原料………………………………………………………………………………………5
3.2调浆………………………………………………………………………………………6
3.3液化和糖化………………………………………………………………………………6
3.4酒精发酵…………………………………………………………………………………6
3.4.1前发酵期………………………………………………………………………………6
3.4.2主发酵期………………………………………………………………………………7
3.4.3后发酵期……………………………………………………………………………….7
3.5醋酸发酵…………………………………………………………………………………7
3.5.1淋醋发酵工艺…………………………………………………………………………7
3.5.2深层发酵工艺…………………………………………………………………………7
3.5.3固定化细胞发酵法……………………………………………………………………8
3.5.5醋酸提取………………………………………………………………………………8菌种的制备及种子的扩大培养………………………………………………………………9
4.1实验室种子制备：
………………………………………………………………………9
4.1.1选育酿酒酵母株的方法………………………………………………………………9
4.1.2醋酸菌筛选流程………………………………………………………………………9
4.2扩大培养……………………………………………………………………………….10
4.2.1酒母的制备……………………………………………………………………………10
4.2.2醋酸菌扩大培养………………………………………………………………………10
5.培养基的组成及制备…………………………………………………………………….10
5.1酒精发酵培养基组成……………………………………………………………………10
5.2醋酸发酵培养基…………………………………………………………………………10
5.3发酵罐灭菌………………………………………………………………………………10
5.4灭菌流程………………………………………………………………………………..11
6无菌空气制备系统………………………………………………………………………..11
6.1发酵生产中制备无菌空气过程………………………………………………………..11
6.2特点……………………………………………………………………………………..12
6.3设备选择…………………………………………………………………………………12
7工艺计算…………………………………………………………………………………..12
7.1.说明…………………………………………………………………………………….12
7.2计算…………………………………………………………………………………….12
8.三废处理………………………………………………………………………………….15
8.1废气……………………………………………………………………………………..15
8.2废水……………………………………………………………………………………..15
8.3废渣………………………………………………………………………………………15
发酵工程与设备课程设计正文
1前言
1.1醋酸简介：
醋酸（AceticAcid）是食用醋的主要化学成分，是无色透明液体（低于16.7°C时为白色晶体）,有刺激性的酸味,它的蒸汽对粘膜,尤其是对眼睛的粘膜有刺激作用。
浓醋酸能引起皮肤的灼伤。
醋酸与水、醇、苯、甘油、脂肪油等有机液体能互溶。
醋酸是一种重要的有机化工产品,主要用于醋酸乙烯、对苯二甲酸、醋酸纤维、醋酸酯等产品的生产,是合成纤维、胶粘剂、医药、染料和农药的重要原料。
醋酸还是优良的有机溶剂,在塑料、橡胶、印刷等行业有着十分广泛的用途[1]。
食醋是人们生活中不可或缺的酸性调味品，其兼有防止腐败、增进食欲、保健防病、缓解疲劳等功能。
近来醋在色拉调料、调味番茄酱以及其他调味酱领域里也扮演着非常重要的角色[2]。
食用醋酸的生产技术主要是醋酸菌发酵产生。
对于生产纯醋酸来说，目前化学合成法的成本较低，所以发酵法并不广泛在工业上生产纯醋酸。
工业化的醋酸生产技术主要有：
甲醇羰基化法、乙醛氧化法、乙烯直接氧化法和轻油（丁烷或石脑油）氧化法。
1.2全球醋酸的生产状况如下：
2004年,全球醋酸生产能力约为987万吨/年,其中各地区的生产能力分别为:
北美347万吨、欧洲142万吨、亚洲435万吨;分别占世界总生产能力的35%、14%和44%。
近年来,亚洲地区产能增加较快,年均增长率约为7.7%,高于世界2.9%的年均增长率。
1.3国外生产研究现状：
塞拉尼斯公司是世界两大醋酸生产商之一,总产能为242.5万吨/年。
其装置主要在美国和新加坡,在美国甲醇羰基合成法装置的能力已达到120万吨/年,是世界上最大的生产装置,在新加坡羰基法装置的能力为50万吨/年,而在其他地区的乙醛氧化生产醋酸的装置相继关闭。
现有装置主要采用甲醇羰基合成法和丁烷液相氧化法。
目前,该公司正在南京独资建设一套60万吨/年的生产装置,2007年建成投产。
BP也是世界主要的醋酸生产商,在全球4个地区拥有醋酸生产装置,总能力为177万吨/年,占全球总产能的17.9%。
其在英国的羰基合成法装置能力为50万吨/年;在韩国是BP和三星的合资公司,现装置能力已达42万吨/年,BP持股51%;在马来西亚是和Petronas公司的合资企业,装置能力为40万吨/年;与中石化四川维尼纶厂合资建设的醋酸装置产能现已扩大为35万吨/年。
世界两大醋酸生产商塞拉尼斯和BP控制了全球的醋酸生产,总产能已达到419.5万吨/年,占全球总产能的40%以上。
1.4国内醋酸的生产状况如下：
目前,我国共有20多套醋酸生产装置（一些乙醇法的生产企业多数处于停产,只有几家还在生产,产量很低）,至2005年年底,我国的总生产能力达到了176.5万吨/年,2005年全年产量为140万吨,比去年增长21.5%。
1.5国内生产研究现状：
我国现有甲醇羰基合成法醋酸生产企业4家,生产能力为100万吨/年,占总产能的63%;乙烯法生产企业有4家,生产能力为44.5万吨/年,占总产能的28.4%;其余为乙醇法。
目前,我国甲醇羰基合成法醋酸生产已占据了主导地位,并且产能和产量都有了较大幅度的增长,装置开工率接近100%;而随着国际油价的不断上升,占主导地位的乙烯法产量有所下降,开工率约为74%。
我国甲醇羰基化法的最大生产企业是江苏索普（集团）公司,有两套生产装置,总产能约为40万吨/年,2005年产量为40.3万吨。
四川扬子江乙酰化工有限公司是我国第二大甲醇羰基合成法醋酸生产企业,1998年一期工程完成,当时产能为15万吨/年;二期工程于2002年完成,产能扩大至23万吨/年;三期工程于2005年7月投料试车,产能已达到35万吨/年,2005年产量为25万吨。
上海吴泾化工公司醋酸生产装置通过技术攻关,现有的生产能力已从10万吨/年扩大为现在的25万吨/年,2005年产量为20万吨。
山东兖矿国泰化工公司是由兖矿集团和香港彩福按70∶30合资成立的公司。
经过2年多的建设,投资11亿元的兖矿国泰化工公司的年产20万吨醋酸,已于2005年11月16日竣工,它是我国第一套完全自主研发和设计的甲醇羰基合成醋酸生产装置。
1.6主导生产方法：
目前,全球醋酸生产以甲醇羰基合成法占主导地位,生产能力已达到617.5万吨/年,约占总产能的63%[3]。
1.7食用醋酸生产研究现：
目前传统醋工艺、纯种固体制醋工艺和纯种液态制醋工艺已经形成3大工艺路线并存。
1.8生产技术的革新与改造
1.8.1纯种固态食醋生产技术的建立
从20世纪50年底开始,我国就开始了纯种固态法生产食醋的尝试。
20世纪60年代,上海创造了酶法液化自然通风回流的固体发酵工艺,分别使用了纯种培养的曲霉菌、酵母菌、醋酸菌作为发酵剂进行液化、糖化、酒精发酵、醋酸发酵。
20世纪70年代初,山西长治试验生料制醋获得成功,主辅料全部采用生料。
这是一条全新的纯种固态制醋工艺,主要的技术难题是防止杂菌污染与提高原料利用率。
1.8.2纯种液态食醋生产技术的建立
纯种液态发酵制醋是借鉴抗生素、氨基酸等其他发酵工业的经验,应用现代发酵工程、细胞工程和酶工程技术建立起来的一类先进的新型制醋生产技术,包括自吸式发酵罐液态制醋、固定化细胞发酵制醋和酶制剂发酵制醋3种工艺。
1.8.3传统酿造食醋的技术改造
我国传统酿醋技术在世界上独具一格,在长期的生产实践中已形成了固定的工艺模式和操作习惯。
然而醋业界的有识之士和科研工作者追求传统酿醋技术进步的活动从来没有停止过,不断探索传统酿醋微生物的活动规律,优化工艺操作条件,改进生产设备与扩大生产规模,使传统食醋酿造技术向现代方向逐步迈进。
1.9我国目标：
新中国成立以后,特别是改革开发以后的20多年来,我国制醋业的发展环境有了很大变化。
在政府领导、科研人员和醋业工作者的共同努力下,开展了酿醋微生物、制醋生产工艺和生产设备的多学科研究。
选育了优良的微生物菌种,建立了纯种固态食醋生产技术和纯种液态食醋生产技术,改进了质检方法,优化了制醋设备,极大地提高了我国食醋的生产技术水平,使我国食醋产量和人均消费水平得到明显提高,制醋工业朝着科学化、机械化与大型化的方向发展的格局[4]。
2发酵机制
醋酸的生产分为3个过程:
淀粉水解成糖,糖发酵成酒精,酒精氧化成醋酸。
这3个发酵过程都是依靠不同的微生物分泌的酶作用下进行的,所以发酵过程就是创造有关微生物发育与酶作用有利条件的过程。
2.1淀粉水解
淀粉是碳水化合物中重要多糖之一,为植物通过光合作用合成的天然高分子化合物。
但它不能被酵母利用,必须首先把淀粉转化为可发酵的糖类,然后才能被酵母将糖发酵为酒精。
淀粉转化为可发酵性糖类的过程,称之为淀粉水解。
常规淀粉水解过程为:
（C6H10O5）n+nH2O→X（C6H10O5）10-20→nC6H12O6
2.2酒精发酵
2.2.1精发酵微生物
酒精发酵所用微生物为酵母,其主要特点有①.呈椭圆形,大小约4×5μm;②.生长的适宜温度28～34℃,35℃以上活力减退,60℃5分钟死亡,5℃可缓慢生长;③.耐酸,适合pH值为4～6,pH值低于3.5时生长受到抑制;④.在通气条件下细胞繁殖,不通气条件下酒精发酵。
2.2.2酒精发酵中的物质变化
酒精发酵中的物质变化具体过程为:
葡萄糖在己糖激酶的催化下,由ATP供给磷酸基转化为6-磷酸葡萄糖;6-磷酸葡萄糖在磷酸己糖异构酶的催化下转化为6-磷酸果糖;6-磷酸果糖在磷酸果糖激酶的催化下,由ATP供给磷酸基,进一步磷酸化,生成1,6-二磷酸果糖;1,6-二磷
酸果糖在醛缩酶的催化下,分裂为磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛;磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛在磷酸丙糖异构酶的催化下相互转化;3-磷酸甘油醛在3-磷酸甘油醛脱氢酶的催化下,并经磷化,生成1,3-二磷酸甘油酸;1,3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下,变为3-磷酸甘油酸;3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的催化下,转变为2-磷酸甘油酸;2-磷酸甘油酸在烯醇化酶的催化脱水,生成为2-磷酸烯醇式丙酮酸;2-磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下,失去高能磷酸键,生成烯醇式丙酮酸;由于烯醇式丙酮酸极不稳定,变为丙酮酸;丙酮酸在脱羧酶的催化下脱羧,生成乙醛;乙醛在乙醇脱氢酶及辅酶（NADH2）的催化下,还原成乙醇。
在酒精发酵中,其主要产物是乙醇和CO2,但同时也产生许多发酵副产品,主要有醇、醛、酸和酯四大类化学物质,这也是醋中风味物质的前体物质[5]。
2.3醋酸发酵
2.3.1醋酸发酵微生物
醋酸发酵所用微生物为醋酸菌,其主要特点有①呈短杆状,大小约0.5×1.5μm;②为好气性菌;③繁殖适宜温度在30℃左右,最佳酒精氧化温度40～45℃;④在60℃时10min死亡;⑤能氧化酒精为醋酸,适宜酒精度为3%～6%;⑥能被自己所生成的醋酸杀灭;⑦能氧化醋酸为CO2和H2O。
2.3.2醋酸发酵中的物质变化
醋酸发酵中的物质变化具体过程为:
乙醇在乙醇脱氢酶的催化下,氧化成乙醛,通过吸水形成水化乙醛,再由乙醛脱氢酶氧化成乙酸。
反应步骤为:
C2H5OH→CH3CHO→CH3COOH.由于醋酸菌含有乙酰辅酶A合成酶,它能氧化乙酸为CO2和H2O,所以在醋酸发酵后期,如发现乙酸不再上升时,酒度耗尽时，即为成熟期。
2.4醋酸的提取
原理为水与醋酸的沸点相差较大。
人们所研究过的醋酸提取方法很多，但可以用于工业上的只有少数几种。
①.分馏（精馏）。
②.恒沸脱水蒸馏。
③.溶剂（低沸点或高沸点）萃取。
④.上述方法联合使用。
⑤.萃取蒸馏和活性炭吸附等[6]。
3发酵工艺及特点[7]
淋醋工艺是德国学者舒莱巴赫首先推举出来的，由于它比传统的固体制醋法（需40-60天）要快的多（只需5天），所以又称为速酿法。
一般工艺流程为：
↓↓↓
大米→调浆→蒸煮→液化与糖化→酒精发酵→醋酸发酵→醋酸提取
无菌空气
↑
生产工艺
3.1原料
主要原料有大米、高粱、玉米粉（麸皮、米糠、红薯干等粗粮均可）,麸皮,谷壳（小米壳也可）,食盐,淀粉酶、糖化酶,醋用发酵剂,水。
3.2调浆
主要机器：
磨浆机、调浆桶、调浆罐
先将碎米浸泡，使米粒充分吸水膨胀。
按米：
水=1：
1.5的比例送入磨浆机，磨成70目以上细度的粉浆（浓度为18～20°Be）。
粉浆泵送至调浆桶后，加入Na2CO3调至pH6.2～6.4,再加入碎米重量0.2%的CaCl2，然后按每克碎米130单位加入细菌α-淀粉酶。
在充分搅拌情况下，将粉浆缓缓连续放入液化桶中。
3.3液化和糖化
主要设备：
液化锅、糖化罐
先在液化锅内放定量的水，一般要求淹没加热管。
将水升温至90℃，开动搅拌，流入粉浆，掌握品温在85℃～90℃。
粉浆全部进入锅内后，维持10～15min，用碘液检查不显蓝色表示液化已经完成。
升温至100℃，泵入糖化锅。
冷却至65℃以下时加入麸曲或真菌糖化酶，维持在60℃左右糖化3小时。
糖化罐如图1所示
3.4酒精发酵
主要设备：
密闭式酒精发酵罐
淀粉经过糖化后可得到葡萄糖,将糖化30min后的醪液打入发酵罐,再把酵母罐内培养好的酵母接入。
酵母菌将葡萄糖经过细胞内一系列酶的作用,生成酒精和CO2。
在发酵罐里酒精发酵分3个时期:
前发酵期,主发酵期,后发酵期。
3.4.1前发酵期
在酒母与糖化醪打入发酵罐后,这时醪液中的酵母细胞数还不多,由于醪液营养丰富,并有少量的溶解氧,所以酵母细胞能够得以迅速繁殖,但此时发酵作用还不明显,酒精产量不高,因此发酵醪表面比较平静,糖份消耗少。
前发酵期一般10h左右,应及时通气。
3.4.2主发酵期
8～10h后,酵母已大量形成,并达到一定浓度,酵母菌基本停止繁殖,主要进行酒精发酵,醪液中酒精成分逐渐增加,CO2随之逸出,有较强的CO2泡沫响声,温度也随之很快上升,这时最好将发酵醪的温度控制在32～34℃之间,主发酵期一般为12h左右。
3.4.3后发酵期
后发酵期醪液中的糖份大部分已被酵母菌消耗掉,发酵作用也十分缓慢,这一阶段发酵,发酵醪中酒精和二氧化碳产生得少,所以产生的热量也不多,发酵醪的温度逐渐下降,温度应控制在30～32℃,如果醪液温度太低,发酵时间就会延长,这样会影响出酒率,这一时期约需40h左右完成。
酒精发酵罐如图2所示
3.5醋酸发酵
3.5.1淋醋发酵工艺
主要设备：
速酿塔
国内用作淋醋发酵的设备称为速酿塔，速酿塔高2～5米，直径1～1.3米，圆桶形，塔顶封盖，有排气孔，内有假底，塔内置一层处理过的填充料一桦木刨花、芦苇秤或玉米芯（已经洗净）等——上铺厚约15厘米的粗谷糠），塔顶部装有回转喷淋管，聚液槽接有不锈钢离心泵使醋酸循环淋浇。
塔顶封闭，只留排气管，管口包扎纱布以调节空气的进入量。
塔的上、中、下部皆插有温度计。
将酒液一次加入醋塔内，再接入醋酸菌液10%，然后定时回浇和以定温循环回淋结合，约每隔90分钟回淋一次。
品温控制35～42℃之间。
如果发现品温过高或过低，应灵活决定回浇次数和控制空气进入。
回浇时要随时注意喷淋管是否运转正常，防止局部位置上填充物温度过高，造成发酵异常。
经50多小时，测定淋出液酸度不再上升，酒精耗尽时，即为成熟期。
醋塔法制醋酸特点：
①.塔内填充料能连续使用，可以节约麸皮等原料，并不需要出渣，减轻了劳动强度；②.原料出品率较高；③.填充料来源广泛；④.口味比较单调。
国外淋醋工艺采用的典型设备是弗林斯发生器（Flingsgenerator）
在弗林斯发生器中，载体层的温度自控问题已在可能的程度上得到了解决。
其操作过程如下：
酒醪有泵从发酵罐的聚液槽连续通过换热器泵送到进料罐中，它可以由此通过分布盘和榉木刨花层间接回到聚液槽，或者通过溢流管直接回到聚液槽，刨花层中具有3只接触式温度计，它能控制进料罐的阀门进行循环液的调节。
酒醪中的1只接触式温度计通过电磁阀可以控制进入换热器的冷却水流量。
以这种方式，在很高的发酵速率下，酒醪品温也可以控制在26℃～28℃，而刨花层中温度计触点处的温度可以控制在28℃～33℃之间。
空气通过载体层的底部吹入，通过排气管放出。
当残余乙醇降到0.3%（v/v）时，将聚液槽中的醋液大部分放出，然后在几天之内分2～3次补足。
在每一循环的开始，发酵速率可能明显降低，这是由于乙醇和醋酸浓度的巨大变化导致载体层上部细菌大量死亡造成的。
一旦新添加的酒醪与吸附在刨花上的醋液混合之后，就形成了发酵的适宜条件，即8%醋酸和4%乙醇。
乙醇向醋酸转化率取决于刨花层的使用时间，一般在85～90%之间。
高峰发酵期的氧利用率约为50%。
发酵的长短与刨花层与聚液槽的体积比有关，一般为4～10天。
用榉木刨花做载体时，这种设备的生产能力约为每m3载体每天产醋5L。
如果产醋质量下降，则可能应为刨花层上细菌性质已发生变化，例如形成粘性结块物等。
3.5.2深层发酵工艺
主要设备：
自吸式发酵罐、通气装置、消泡器、酒精仪、
发酵规程：
国内食用醋酸深层发酵的规程为：
酒醪放入发酵罐中之后，接入培养12～14h的醋酸种子培养物20%，维持温度35～37℃，通风量前期为0.13vvm，中期为0.17vvm，后期也为0.13vvm，罐压维持在30kPa，在搅拌下发酵。
发酵过程中，温度每小时测定一次；酸度前期4h测一次，中期2h测一次，后期4h测一次，若酒精降到测不出，表明发酵已经结束。
整个过程约需40～50h。
深层发酵可以是间歇进行的，也可以是半连续或连续进行的。
因为连续和半连续发酵可以免去培养种子的操作，所以多被采用。
连续发酵的操作规程是，将酒精仪置定在乙醇浓度2%（v/v），即维持罐内乙醇浓度2%。
这由酒精仪控制进料阀，从而控制流加速率来实现。
进料的乙醇浓度约为12%，罐内温度维持在31～33℃，开动通气溢流管连续流出。
3.5.3固定化细胞发酵法
淋醋发酵是固定化细胞发酵的典型之例，淋醋发酵具有传质，传热不均匀性，而这主要是由于载体不均匀性造成的。
现代细胞固定化技术研究主要是载体的研究。
根据固定后的细胞在发酵中是否随发酵液流动可以把固定细胞发酵法分成两大类:
固膜式发酵和流化式发酵。
相应的固定方法成为固膜固定法和流化固定法。
前者是细胞在载体上形成了生物膜，不随发酵液流动，如纤维、陶瓷、和前述的刨花用作载体的固定方法；而流化固定只是将细胞固定在载体内或（和）表面上，或不用载体的自聚集固定，在发酵中载体带着菌体在发酵液内流动，如卡拉胶、海藻酸钠等固定剂制成的凝胶珠则属于这种类型。
3.5.4热醋酸梭菌发酵法
热醋酸梭菌发酵具有转化率高，耐高温，发酵有糖到醋酸一步完成，不需通氧，可以利用戊糖等优点，但这种方法发酵时需要加中和剂，因此只适用与生产醋酸盐。
3.5.5醋酸提取
首先将发酵液过滤：
可采用板框式压滤机或自动板框式压滤机
多块滤板和滤框交替排列而组成，板框之间隔有滤布，一端为固定端、一端为活动端，用压紧装置自活动端向固定端将板框压紧，进出口装在固定端上。
如图：
原理为水与醋酸的沸点相差较大。
人们所研究过的醋酸提取方法很多，但可以用于工业上的只有少数几种。
①.分馏（精馏）。
②.恒沸脱水蒸馏。
③.溶剂（低沸点或高沸点）萃取。
④.上述方法联合使用。
⑤.萃取蒸馏和活性炭吸附等。
蒸馏塔
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