淀粉原料燃料酒精廠全廠總物料衡算

1、 生物工藝設計 大型作業(yè) 題 目： 11000t/a淀粉原料酒精廠全廠總物料衡算 學 院： 化學與材料工程學院 專 業(yè)： 生物工程 小組成員: 指導教師： 目錄1 前言11.1 酒精發(fā)酵簡介11.2 酒精發(fā)酵的原理21.2.1 酶水解21.2.2 酒精發(fā)酵21.3 目前酒精發(fā)酵方式的比較32 生產(chǎn)工藝42.1 生產(chǎn)產(chǎn)量及方案42.2 生產(chǎn)方法的選擇42.3 主要工藝參數(shù)43 全廠物料衡算的內(nèi)容53.1 原料消耗的計算53.1.1 淀粉原料生產(chǎn)酒精的總化學反應式53.1.2 生產(chǎn)1000kg燃料酒精的理論淀粉消耗量5 生產(chǎn)1000kg國際食用酒精的理論淀粉消耗量 6 生產(chǎn)1000kg食用酒精實際

2、淀粉耗量63.1.5 生產(chǎn)1000kg食用酒精玉米原料消耗量6 -淀粉酶消耗量7 糖化酶耗量73.1.8 硫酸銨耗用量73.2 蒸煮醪量的計算73.2.1 經(jīng)噴射液化器加熱后蒸煮醪量83.2.2 經(jīng)液化維持管出來的蒸汽醪量83.2.3 經(jīng)閃蒸汽液分離器后的蒸煮醪量83.2.4 經(jīng)真空冷卻器后最終蒸煮醪液量93.3 糖化醪與發(fā)酵醪量的計算93.3.1 需蒸餾的成熟發(fā)酵醪量93.3.2 成熟發(fā)酵醪量93.3.3 入蒸餾塔的成熟醪乙醇濃度93.3.4 發(fā)酵過程放出總量93.3.5 酒母醪量9 糖化醪量103.4 成品與發(fā)酵醪量的計算103.4.1 醪塔上升蒸汽量103.4.2 殘留液量103.4.3

3、 成熟醪比熱容103.4.4 成熟醪帶入塔的熱量103.4.5 蒸餾殘留液固形物含量103.4.6 蒸餾殘留液的比熱容113.4.7 塔底殘留液帶出的熱量113.4.8 上升蒸汽帶出熱量113.5 生產(chǎn)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 設計總結13參考文獻141 前言1.1 酒精發(fā)酵簡介 據(jù)統(tǒng)計,全世界每年的石油消耗量為200億桶,比發(fā)現(xiàn)的石油多50億桶。石油不斷減少，全球的消耗量卻不斷增加。尤其我國最近幾年經(jīng)濟快速發(fā)展，石油消耗也快速增加。并且中國充滿爆發(fā)力的石油需求一直被視為近兩年來國際油價大漲的關鍵因素。目前中國已取代日本成為

4、全球第二大石油消耗國（僅次于美國），預估10年內(nèi)中國的石油需求將從目前的每日600萬桶膨脹近一倍至1150萬桶。十年前中國進口石油占整體石油需求的比例才6%，現(xiàn)在已經(jīng)提高到三分之一，到2020年預期將有60%的石油都必須來自進口。石油燃燒帶來許多環(huán)境問題，其燃燒產(chǎn)物為硫化物和氮化物。硫氧化物對人體的危害主要是刺激人的呼吸系統(tǒng)，吸入后誘發(fā)慢性呼吸道疾病，甚至引起肺水腫和肺心性疾病。如果大氣中同時有顆粒物質存在，顆粒物質吸附了高濃度的硫氧化物、可以進入肺的深部，就會大大地加大危害程度。石油燃燒產(chǎn)生的氮的氧化物和硫的氧化物在高空中為雨雪沖刷，溶解，雨成為了酸雨;這些酸性氣體成為雨水中雜質硫酸根、硝酸

5、根和氨離子，會嚴重污染土壤以及水體，造成生態(tài)的失衡。與此同時，石油消耗大量增加，也增加了我國石油安全系數(shù)。而燃料酒精正可以緩解這些問題。因為酒精生產(chǎn)技術人類已經(jīng)非常嫻熟，人類的文明史就是酒精的發(fā)展史。自從有了人類文明便有了釀酒技術。酒精發(fā)酵是指在無氧條件下，微生物（如酵母菌）分解葡萄糖等有機物，產(chǎn)生酒精、二氧化碳等不徹底氧化產(chǎn)物,同時釋放出少量能量的過程。在生產(chǎn)過程中需要大量的生物技術。比如：需要基因工程得到即能提高生產(chǎn)酒精效率又可以用纖維素作為原料而生產(chǎn)酒精的酵母菌，用酶工程生產(chǎn)可直接將纖維素轉化為酒精的人造酶等等。發(fā)酵法生產(chǎn)酒精原料主要有淀粉質原料，糖蜜原料和亞硫酸鹽造紙廢液等。而淀粉質原

6、料木薯含淀粉量高，木薯的塊跟淀粉含量達25-30左右，木薯干淀粉含量達70左右，是被譽為“淀粉之王”。木薯加工性能良好，也不與糧食爭地，是一種有很大發(fā)展?jié)摿Φ木凭a(chǎn)再生資源，將其應用到發(fā)酵酒精工業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景。本設計簡述了從木薯原料預處理、液化、酶糖化到發(fā)酵生產(chǎn)后處理整個發(fā)酵酒精生產(chǎn)工藝流程中的物料、水平衡、熱量等衡算。11.2 酒精發(fā)酵的原理1.2.1酶水解生產(chǎn)中多采用酶水解法。許多種微生物，如細菌、曲霉等能產(chǎn)生淀粉酶。淀粉酶水解淀粉的過程是先使淀粉水解成麥芽糖，再由麥芽糖酶作用，生成葡萄糖。其總的反應式如下：（C6H10O5）n + H2O 淀粉酶 C12H22O11 麥芽糖酶

7、C6H12O6 淀粉 麥芽糖 葡萄糖淀粉酶的種類較多，主要有以下幾種：-淀粉酶（液化酶、液化型淀粉酶）可將直鏈淀粉水解成含6個葡萄搪分子的單位。它對支鏈淀粉的-1，6糖苷鏈不起作用，但能越過此鍵，從分于內(nèi)部水解-1，4 糖苷鏈，故支鏈淀粉的水解產(chǎn)物中除6個葡萄糖分子的單位以外，還有短鏈的分支。這些小分子化合物統(tǒng)稱為糊精。淀粉被水解后，粘度下降，表現(xiàn)為液化。-淀粉酶（糖化酶、糖化型淀粉酶）它的作用方式是從淀粉分子的非還原端開始，每次分解出一個麥芽糖分子，它可將直鏈淀粉徹底水解為麥芽糖。但也不能作用于-1，6糖苷鍵，而且不能越過此鍵。因此，當分解支鏈淀粉時，遇到分枝點的-1，6糖苷鍵時，就停止作用

8、，留下較大分子的極限糊精。葡萄糖淀粉酶（-淀粉酶）它自淀粉分子的非還原端開始，每次分解出一個葡萄糖分子，但也不能分解支鏈淀粉的-1，6糖苷鍵。異淀粉酶（R酶）它專門水解-1，6糖苷鍵。它和上述三種淀粉酶聯(lián)合作用時可將淀粉徹底水解成麥芽糖和葡萄糖。1.2.2 酒精發(fā)酵酵母菌在厭氧條件下可發(fā)酵己糖形成酒精（乙醇）。酵母在沒有分子態(tài)氧和氧化酶參與作用，即厭氧的條件下，呼吸基質不徹底氧化，最終的氫受體不是分子氧，而是某種中間代謝產(chǎn)物，其反應的過程如下： C6H12O6 + 2A 2CH3COCOOH + 2(A-2H) 丙酮酸2CH3COCOOH 2CH3CHO + 2CO2 乙醛2(A-2H) +

9、2CH3CHO 2CH3CH2OH + 2A總反應式為：C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2 + Q1mol葡萄糖可產(chǎn)生2mol酒精，即80克葡萄搪可產(chǎn)生92g酒精，得率為51.5?？墒?，酵母干重的累積約為利用碳水化合物的2，同時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機酸（主要是琥珀酸）和0.2用于形成雜醇油（高級醇），因此，實際上糖只有47轉化成酒精。一般100kg純淀粉生產(chǎn)93濃度酒精的理論值是60.54kg。1.3 目前酒精發(fā)酵方式的比較 間歇發(fā)酵：指全部發(fā)酵過程始終在同一個發(fā)酵罐內(nèi)進行的發(fā)酵方式。其優(yōu)點是操作簡單，易于管理，不會大面積感染雜菌。缺點是酒母用

10、量大，非生產(chǎn)性時間長，設備利用率低。 連續(xù)發(fā)酵：指把發(fā)酵的不同階段的分別放入發(fā)酵罐內(nèi)進行發(fā)酵的方式。由于糖液是一直連續(xù)不斷地流加，故每個發(fā)酵罐內(nèi)的流量、醪液濃度、酒精濃度、酵母細胞數(shù)以及溫度、pH值等均相應穩(wěn)定，有利于酵母的生長繁殖。優(yōu)點是可以提高設備利用率，節(jié)省酒母，便于自動化控制，缺點是對無菌條件要求嚴格。 半連續(xù)發(fā)酵：介于間歇發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵方式。指主酵期采用連續(xù)發(fā)酵而后酵期采用間歇發(fā)酵。其優(yōu)點是節(jié)約酒母，設備利用率較間歇發(fā)酵有所提高，缺點是對無菌要求較為嚴格。22 生產(chǎn)工藝2.1 生產(chǎn)產(chǎn)量及方案產(chǎn)量：年產(chǎn)酒精11000噸產(chǎn)品品種：含乙醇93%（V）相當于92.4%（W）食用

11、酒精2.2 生產(chǎn)方法的選擇工藝方法：利用玉米為原料，雙酶糖化，添加酒精酵母連續(xù)發(fā)酵、三塔蒸餾的工藝是目前最成熟、最典型的生產(chǎn)工藝。 圖1 酒精生產(chǎn)工藝流程簡圖3 2.3主要工藝參數(shù)：年生產(chǎn)天數(shù)：300天 玉米含水：15%玉米粉產(chǎn)率：87%玉米含淀粉：63%玉米淀粉實際出酒率：53%發(fā)酵周期： 60h原料粉碎率： 2.5mm原料加水比：1：3-淀粉酶用量： 6u/原料蒸煮溫度：100 蒸煮時間：100min糖化酶用量：100u/g原料糖化溫度： 60糖化時間：45min糖化醪固形物濃度：18%糖化醪PH值：4.0接種量：10%稀釋速率： 0.1發(fā)酵溫度： 33發(fā)酵罐裝料系數(shù)：90%發(fā)酵醪酒精濃度

12、： 10%（V/V）相當于8.01%（質量分數(shù)） 3 全廠物料衡算的內(nèi)容淀粉原料酒精廠的物料衡算包括兩部分，第一部分是生產(chǎn)過程全廠總物料衡算，主要計算內(nèi)容有：主要原料為玉米，其它原料有淀粉酶、糖化酶、硫酸、硫酸銨等。（1）中間廠品，蒸煮醪、酒母醪、發(fā)酵醪等。（2）成品、副產(chǎn)品以及廢氣、廢水、廢渣既酒精、雜醇油。二氧化碳和廢糟等。3.1 原料消耗的計算3.1.1 淀粉原料生產(chǎn)酒精的總化學反應式為：糖化： （1） 162 18 180發(fā)酵： （2） 180 46 44 3.1.2 生產(chǎn)1000kg燃料酒精的理論淀粉消耗量由（1）和（2）式可求得理論上生產(chǎn)1000kg燃料酒精（乙醇含量93算）所消耗

13、的淀粉量為：燃料酒精體積分數(shù)93%換算成質量分數(shù)為 89.64%的食用酒精。 生產(chǎn)1000kg國際食用酒精的理論淀粉消耗量 國標食用酒精乙醇含量在93（體積分數(shù)）以上，相當于 89.64%（質量分數(shù)），故生產(chǎn)1000kg食用酒精成品理論上需淀粉量為： 生產(chǎn)1000kg食用酒精實際淀粉耗量實際上，整個年產(chǎn)過程經(jīng)歷原料處理、發(fā)酵及蒸餾等工序，要經(jīng)過復雜的物理化學和生物化學反應，產(chǎn)品得率必然低于理論產(chǎn)率。 表一 酒精生產(chǎn)各過程各階段淀粉損失表生產(chǎn)過程損失原因淀粉損失備注原料處理粉塵損失0.4蒸煮淀粉殘留0.5發(fā)酵發(fā)酵殘?zhí)?.50發(fā)酵巴斯德效應4.00發(fā)酵酒氣蒸發(fā)1.30如加酒精捕集器此項則為0.30

14、發(fā)酵二氧化碳帶走蒸餾廢槽帶走1.85總計損失9.55假定發(fā)醇階段系統(tǒng)設有酒精捕集器，則淀粉總損失率為9.55%,故生產(chǎn)1000kg用酒精需淀粉量為：這個原料消耗水平達到了我國現(xiàn)階段玉米原料生產(chǎn)酒精的先進出酒率水平。生產(chǎn)1000kg食用酒精玉米原料消耗量據(jù)基礎數(shù)據(jù)給出，玉米原料含淀粉63%，故1噸酒精耗玉米量為： -淀粉酶消耗量應用酶活力為20000u/g的-淀粉酶使淀粉液化,促進糊化,可減少蒸汽消耗。-淀粉酶消耗量按8u/g原料計算. 用酶量為: 糖化酶耗量若所用糖化酶的活力為50000u/g,使用量為100u/g原料，則糖化酶消耗量為： 此外，酒母糖化酶用量按200u/g（原料）計，且酒母用

15、量為10%，則用糖化酶量為：式中70%為酒母的糖化液占70%，其余為稀釋水與糖化劑。兩項合計，糖化酶用量為6.316kg。3.1.8硫酸銨耗用量：硫酸銨用于酒母培養(yǎng)基的補充氮源，其用量為酒母量的0.1%,設酒母醪量為 ,則硫酸銨的消耗量為:0.1% .3.2 蒸煮醪量的計算根據(jù)生產(chǎn)實踐,淀粉原料連續(xù)蒸煮的粉料加水比為1:3,故粉漿量為: 蒸煮過程使用直接蒸汽加熱,在后熟器和汽液分離器減壓蒸發(fā)、冷卻降溫.在蒸煮過程中,蒸煮醪量將發(fā)生變化,故蒸煮醪的精確計算必須與熱量衡算同時進行,順而十分復雜.為簡化計算,可按下述方法近似求解。 假定用罐式連續(xù)蒸煮工藝,混合后粉漿溫度為50,應用噴射液化器使粉漿迅

16、速升溫至105,然后進入罐式連續(xù)液化5-8min ,在真空冷卻器中閃急蒸發(fā)冷卻至100后進入液化罐反應約100min,進真空冷卻器冷卻至60后入糖化罐糖化45min.干物質含量的玉米比熱容為: 粉漿干物質含量為：蒸煮醪比熱容為: 式中水的比熱容kJ/(kgK)3.2.1 經(jīng)噴射液化器加熱后蒸煮醪量為：式中 2748.9噴射液化器加熱蒸汽(0.5MPa)的焓(kJ/kg)3.2.2 經(jīng)液化維持管出來的蒸汽醪量為：(溫度降為102)式中 2253液化維持管的溫度為102下飽和蒸汽的汽化潛熱(kJ/kg)3.2.3 經(jīng)閃蒸汽液分離器后的蒸煮醪量為： 式中2182-100飽和蒸汽的汽化潛熱(kJ/kg

17、)3.2.4 經(jīng)真空冷卻器后最終蒸煮醪液量為：式中 1413真空冷卻溫度為60下的飽和蒸汽的汽化潛熱(kg/kg)3.3 糖化醪與發(fā)酵醪量的計算 設發(fā)酵結束后成熟醪量含酒精10%(體積分數(shù))，相當于8.01%(質量分數(shù)).并設蒸餾效率為98%，而且發(fā)酵醪酒精捕集器回收酒精洗水分別為成熟醪量的5%和1%，則生產(chǎn)1000Kg93%(體積分數(shù))酒精成品有關計算如下:3.3.1 需蒸餾的成熟發(fā)酵醪量為：3.3.2 若不計酒精捕集器和洗罐用水，則成熟發(fā)酵醪量為：3.3.3 入蒸餾塔的成熟醪乙醇濃度為：(質量分數(shù))3.3.4 相應發(fā)酵過程放出 總量為：3.3.5 接種量按10%計，則酒母醪量為：酒母醪的7

18、0%是糖化醪，其余為糖化劑和稀釋水，則糖化醪量為:3.4 成品與發(fā)酵醪量的計算廢醪量是進入蒸餾塔的成熟發(fā)酵醪減去部分水和酒精成分及其他揮發(fā)組分后的殘留液。此外，由于醪塔是使用直接蒸汽加熱，所以還需要加上塔的加熱蒸汽冷凝水。設進塔的醪液（）的溫度=70，排除廢醪的溫度：成熟醪固形物含量為，塔頂上升酒氣的乙醇濃度50%（體積分數(shù)）即47.18%（質量分數(shù)）。則：3.4.1 醪塔上升蒸汽量為： 3.4.2 殘留液量為： 3.4.3 成熟醪比熱容為：3.4.4 成熟醪帶入塔的熱量為：3.4.5 蒸餾殘留液固形物含量為： 3.4.6 蒸餾殘留液的比熱容為：3.4.7 塔底殘留液帶出的熱量為：查附錄得50

19、%（體積分數(shù)）酒精蒸汽焓,故有：3.4.8 上升蒸汽帶出熱量為：塔底采用0.05（表壓）蒸汽加熱，焓為；又蒸餾過程熱損失可取為傳遞總熱量的1%。根據(jù)熱量衡算，可得消耗的蒸汽量為：若采用直接蒸汽加熱，則塔底排除廢醪量為： 3.5 生產(chǎn)11000t/a酒精的物料衡算 前面對玉米干淀粉原料生產(chǎn)1000kg燃料酒精（93%，體積分數(shù)）進行了物料平衡計算。以下對11000t/a玉米干原料燃料酒精廠進行計算。3.5.1 酒精成品日產(chǎn)燃料酒精量為： 年產(chǎn)燃料酒精量為：3.5.2 主要原料木薯干用量日耗量為： 年耗量為： 淀粉酶、糖化酶用量以及蒸煮粉漿量、糖化醪、酒母醪、蒸餾發(fā)酵醪等每日量和年產(chǎn)量均可算出，結

20、果如下表： 表二 11000t/a淀粉原料酒精廠物料衡算表產(chǎn)量項目生產(chǎn)1000kg93%酒精物料量（kg）每小時數(shù)量(t)每天數(shù)量(t)每年數(shù)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硫酸銨 1.16 0.0018 0.0425 12.76蒸煮粉漿 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蒸餾發(fā)酵醪 12558.3 19.186 460.471 138141.3二氧化碳 907.7 1.387 33.