甜高粱莖稈固體發(fā)酵制取乙醇工藝技術(shù)

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）

課題驗收報告國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）

甜高粱莖稈制取乙醇（2003AA514040）

課題驗收報告1.4主要技術(shù)與經(jīng)濟指標1.4.1主要技術(shù)采用微機程序控制的固定化酵母多級流化床生物反應(yīng)器，建成年產(chǎn)400噸乙醇生產(chǎn)性中試示范工程，優(yōu)化工藝參數(shù)，形成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的獨立單元。產(chǎn)量：400T/y（液體發(fā)酵工藝）發(fā)酵時間：10-15h產(chǎn)酒率：8-10%（汁液錘度為16-22%）乙醇純度：99.5%1.4.2采用固體發(fā)酵工藝建成年產(chǎn)5000噸乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)示范工程產(chǎn)量：5000T/y（固體發(fā)酵工藝）發(fā)酵時間：100—120h（隨地區(qū)、環(huán)境而異）產(chǎn)酒率：8-10%（莖稈錘度為16-22%）乙醇純度：99.5%1.4.3經(jīng)濟指標甜高粱莖稈制取乙醇生產(chǎn)成本低于3200元/噸（說明：課題申報時的能源、材料費為：煤280元/噸，電0.50元/度，水1元/噸，甜高粱莖稈收購價100元/噸，勞動力400元/月。當(dāng)前為：煤400元/噸，電1元/度，水1.9元/噸，甜高粱莖稈收購價160元/噸，勞動力600元/月）2.對課題考核目標調(diào)整情況的說明2.1增加采用固體發(fā)酵工藝年產(chǎn)5000噸乙醇能力的產(chǎn)業(yè)化示范工程由于緯度的變化會對甜高粱生長特性產(chǎn)生一些變化，同時對于甜高粱莖稈的儲存也帶來很大的影響，所以不同地區(qū)、不同規(guī)模應(yīng)采用不同的生產(chǎn)工藝，固體發(fā)酵工藝適宜于小規(guī)模經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)的推廣應(yīng)用。增加固體發(fā)酵工藝的產(chǎn)業(yè)化研究示范是為滿足廣大農(nóng)村和經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，拓寬農(nóng)業(yè)就業(yè)渠道，非常必要的。2.2增加固體發(fā)酵工藝流程的規(guī)范化研究“九五”期間，在甜高粱莖稈固體發(fā)酵工藝方面已經(jīng)取得了較大的進展，在本課題中主要針對甜高粱莖稈制取乙醇的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模中可能遇到的障礙進行研究。2.3增加甜高粱莖稈制取乙醇工藝技術(shù)和固體發(fā)酵產(chǎn)業(yè)化工程配套設(shè)備的研究完善甜高粱莖稈制取乙醇固體發(fā)酵配套工程及設(shè)備

3課題任務(wù)執(zhí)行情況綜述《甜高粱莖稈制取乙醇》課題編號：2001AA514040、2003AA544040分為兩個階段，第一階段的工作任務(wù)已按合同書中規(guī)定的內(nèi)容完成，并于2003年11月6日，由863計劃能源技術(shù)領(lǐng)域辦和后續(xù)能源技術(shù)主題專家組主持，在北京進行了“甜高粱莖稈制取乙醇”課題階段檢查驗收。專家組聽取了課題組的匯報，審查了2003年度課題階段驗收材料，并于11月13日對課題執(zhí)行情況進行了現(xiàn)場檢查。檢查組針對課題工藝條件與技術(shù)指標，詳細檢查了課題組在山東景芝酒業(yè)股份有限公司建設(shè)的甜高粱莖稈制取乙醇生產(chǎn)性中試工程示范現(xiàn)場實施情況。主題專家組一致認為，在執(zhí)行課題過程中，該課題能嚴格按照863計劃課題任務(wù)合同書的內(nèi)容開展各項工作，較好地完成了課題合同中規(guī)定的本年度課題執(zhí)行計劃，達到階段考核指標的要求，同意通過階段驗收，并進入第二階段的研究工作。2003年一2005年課題進入第二階段的研究內(nèi)容，目前已完成原合同中規(guī)定的工作內(nèi)容和指標，同時也完成了申請增加的工作內(nèi)容，特提請驗收。3.2采用微機程序控制的固定化酵母多級流化床快速發(fā)酵工藝，建成年產(chǎn)400噸乙醇生產(chǎn)性中試示范工程醇"Ml3.2.1年產(chǎn)400噸乙醇產(chǎn)品的甜高粱原料的種植3.2.2.固定化酵母設(shè)備的安裝、調(diào)試、運行及制定生產(chǎn)工藝規(guī)程3.2.2.1固定化酵母造粒設(shè)備工作特點醇"Ml3.2.1年產(chǎn)400噸乙醇產(chǎn)品的甜高粱原料的種植流化床生物反應(yīng)器內(nèi)必須填充一定數(shù)量的酵母粒子，為滿足固定化酵母粒子產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，新研制出了TTD-ZL1型離心式固定化酵母粒子造型機，和國內(nèi)其它類型產(chǎn)品相比，該設(shè)備具有以下特點：傳動平穩(wěn)，工作噪音低；粒子離心分離體轉(zhuǎn)數(shù)在0-500轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，克服了機械式調(diào)速不連續(xù)的缺點；造粒直徑可以根據(jù)要求，通過選擇不同的粒子分離模具，實現(xiàn)1—5mm不同直徑的制粒要求；最大生產(chǎn)能力：200kg/h;粒子成型率高，一致性好，操作簡便。3.2.2.2TTD-ZL1型造粒機工作原理造粒機由料斗、電機、電磁調(diào)速器、傳動軸、離心甩盤及粒子托盤等幾部分組成，如圖3—3所示。圖3-3TTD-ZL1型造粒機原理示意圖注：1.料斗2.電機3.電磁調(diào)速器4.空心傳動軸5.離心甩盤6.粒子托盤7.粒子其基本原理是利用酵母與載體的混合體通過離心盤作離心運動，當(dāng)其張力小于離心力時而斷裂成珠滴，落入粒子托盤的氯化鈣溶液中固化成形，實現(xiàn)造粒。酵母與載體的混合體由料斗、導(dǎo)料管進入離心甩盤以后，由于液體粘性對離心盤內(nèi)壁的吸附作用而隨同離心盤一起作勻速旋轉(zhuǎn)運動，其線速度為：V=2nrn/60.100(m/s)式中r一離心盤半徑(mm)n一離心盤轉(zhuǎn)速(R/min)根據(jù)牛頓第二定律，作用于旋轉(zhuǎn)液體上的離心力為：F=ma=mv2/r(N)式中：m一旋轉(zhuǎn)液體的質(zhì)量(kg)a一旋轉(zhuǎn)液體的加速度(m/s2)經(jīng)反復(fù)試驗證明：形成的粒子大小和質(zhì)量與離心盤線速度、離心盤孔徑以及液體粘度等因素有關(guān)，當(dāng)確定酵母與載體的混合體粘度和離心盤孔徑以后，離心盤的線速度就成為影響粒子大小的主要因素。試驗表明混合體流出甩盤的線速度越高形成的粒子越小，反之線速度越低形成的粒子就越大。通過高速攝影可以觀察到，由于離心力和混合體凝聚力作用，珠滴在離開離心盤時的形狀并不是馬上成為圓球形，而是在平拋過程中由于離心力逐漸消失和在粒子的表面張力作用下而逐漸變?yōu)閳A球狀?？梢娏Ｗ釉诳罩羞\動的時間越長其圓度就越好。由此可選擇出離心盤到粒子托盤之間的最佳垂直距離。3.2.2.3安裝調(diào)試、試運行將研制的TTD-ZL1型固定化酵母造粒機，進行現(xiàn)場安裝及調(diào)試，安裝地點山東省安丘市景芝酒業(yè)集團公司國家863計劃項目《甜高粱莖稈制取乙醇》中試車間，安裝內(nèi)容包括造粒機和附屬生產(chǎn)設(shè)備，各設(shè)施安裝完成后先進行空車運行試驗，沒有問題后再進行模擬運行，模擬運行過程要對系統(tǒng)進行運行狀態(tài)和性能指標進行檢測，在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上進行試生產(chǎn)運行。3.2.2.4（TTD-ZL1造粒機）生產(chǎn)工藝制備大量的固定化酵母細胞粒子需采用相應(yīng)的能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)的成套設(shè)備。該套設(shè)備包括酵母菌液的制備；海藻酸鈉溶液的制備；氯化鈣溶液的制備；海藻酸鈉和酵母菌液的混合以及固定化酵母粒子的制取、固化等。生產(chǎn)工藝流程見圖3-4。圖3-4固定化酵母粒子生產(chǎn)工藝流程圖3.2.3甜高粱莖稈榨汁設(shè)備及工藝流程3.2.3.1甜高粱莖稈壓榨機根據(jù)甜高粱莖稈液態(tài)固定化酵母快速發(fā)酵生產(chǎn)性中試生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)能力，選配了三輥式單機YZ220X300型壓榨機2臺，其性能指標見表3-4,生產(chǎn)工藝流程如圖3-4、3-5。表3-4甜高粱莖稈壓榨機技術(shù)參數(shù)”J----------產(chǎn)品型號技術(shù)參數(shù)YZ220X300生產(chǎn)能力（kg/h）1000動力消耗（kW）12-15馬力11kW進料間隙（mm）12排料間隙（mm）1榨汁率（%）370軋輥轉(zhuǎn)速（n/min）16-18整機重量（kg）400外形尺寸（長X寬X高mm）820X790X790三角傳送皮帶（根）43.2.3.2甜高粱莖稈壓榨生產(chǎn)工藝榨汁產(chǎn)量的確定取決于發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力和發(fā)酵過程對甜高粱汁液的要求，按照發(fā)酵工藝，發(fā)酵罐的生物轉(zhuǎn)換能力為0.5（T/h，噸/小時），所以壓榨機的榨汁能力應(yīng)該大于該數(shù)。單機壓榨甜高粱莖稈的出汁率取65%，經(jīng)計算壓榨能力應(yīng)該大于769kg/h。榨汁工藝流程見圖3-5。流程3.2.3.3壓榨機生產(chǎn)能力的確定用甜高粱莖稈汁液生產(chǎn)乙醇季節(jié)性很強，只能在甜高粱成熟期內(nèi)進行生產(chǎn)。最好是收獲的新鮮莖稈提汁。已知參數(shù)：甜高粱莖稈汁液固定化酵母快速發(fā)酵系統(tǒng)平均流加量為fz=0.5(T/h)；工作方式為全天24小時不間斷連續(xù)生產(chǎn)；壓榨機榨汁率為？=70%，在此取65%；確定壓榨機單位時間的生產(chǎn)能力P(T/h、噸/小時)fzPN(T/h)◎計算PN0.5/0.65=0.769e0.8T/h要求榨汁機每小時壓榨甜高粱莖稈的能力大于等于0.8噸。每壓榨1噸甜高粱莖稈消耗的能源：參照壓榨機說明書提供的性能指標，應(yīng)該為11kWh，相當(dāng)于1.35kg標煤。3.2.3.4汁液輸送泵流量和離心過濾設(shè)備工作能力的確定已知：壓榨機榨汁量(Zz)大于0.5T/h；汁液輸送泵和離心過濾設(shè)備采取間歇式工作方式，工作能力取8倍于壓榨機榨汁量，在此榨汁量等于單位時間內(nèi)發(fā)酵系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率Zz=fz=0.5T/h。計算單位時間汁液輸送泵的輸送量和離心過濾設(shè)備過濾量，Q(T/h)QN8XZz(T/h)=8X0.5=4(T/h)輸送和過濾1噸原料所消耗的能源：根據(jù)所選電機的功率，兩項合計為3kW,經(jīng)計算能源消耗為0.375kWh，相當(dāng)于0.046kg標煤。3.2.3.5消毒滅菌罐容積確定甜高粱莖稈汁液滅菌采用高溫消毒方式，將罐內(nèi)料液溫度快速提升至115°C以上，然后在該溫度保持15分鐘以上。料液升溫速度為u=2C/min，料液初始溫度取t1=10C，t2=115C,溫升差值A(chǔ)t=t2—t1=115—10=105C，升溫時間t=At/u=105/2=53mino升溫時間加上溫度保持時間合計為68min，在此還需要考慮原料輸送至消毒罐和消毒后的原料輸出全調(diào)制罐所占用的時間，先假設(shè)消毒罐的容量為1T，原料的入和出所占用的時間應(yīng)為15min，所以原料在消毒滅菌罐內(nèi)總的滯留時間應(yīng)為68+15=83min，按照正常的生產(chǎn)速度，消毒滅菌總的滯留時間應(yīng)該小于120min，所以容量為1T的消毒滅菌罐完全能夠滿足要求。每噸原料消毒滅菌消耗的熱能W(kcal)：W=罐內(nèi)料液量XAt=1000X105=105000kcal，相當(dāng)于14.57kg標煤。3.2.3.6計量泵的確定計量泵主要用于向發(fā)酵罐內(nèi)輸送調(diào)制好的料液，它除了具有輸送料液的能力還要能夠準確地計量輸送量。要求液體輸送量在0—4(T/h)連續(xù)可調(diào)。3.2.4.400噸/年多級式固定化酵母流化床快速發(fā)酵設(shè)備安裝、調(diào)試、試運行及制定生產(chǎn)工藝流程3.2.4.1400噸/年多級式固定化酵母流化床快速發(fā)酵設(shè)備工作特點該項目是以固定化細胞技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對乙醇酵母細胞的固定化方法進行深入細致的研究，經(jīng)反復(fù)固定化酵母載體實驗，解決了固定化細胞技術(shù)中普遍存在的載體機械強度低、使用壽命短等技術(shù)難題；馴化篩選了耐酸能力強、活性高的乙醇酵母；并根據(jù)乙醇酵母的生理、生化特性制定了一套適用于高技術(shù)的乙醇生產(chǎn)新工藝。采用該項生物技術(shù)對傳統(tǒng)乙醇發(fā)酵工業(yè)嫁接改造后，每生產(chǎn)1噸乙醇可增收節(jié)支，獲取經(jīng)濟效益300-500元左右。該項技術(shù)用于乙醇生產(chǎn)，還可節(jié)約大量的糧食、能源和工業(yè)用水。固定化酵母發(fā)酵技術(shù)是把活酵母細胞固定在一種載體上，發(fā)酵過程中酵母不流失，從而保證了主發(fā)酵罐的酵母濃度，它具有傳統(tǒng)游離酵母法比擬的優(yōu)點：發(fā)酵速度快、發(fā)酵率高；成熟醪酒份高、殘?zhí)堑汀魏纳?；一次性投放菌種；酵母適應(yīng)能力強；減輕勞動強度。3.2.4.2設(shè)備安裝調(diào)試在確定發(fā)酵工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)酵工藝和技術(shù)要求，對整套發(fā)酵系統(tǒng)進行了全面系統(tǒng)的設(shè)計，并對所需設(shè)備進行了分類，第一類設(shè)備屬于非標設(shè)備需要本廠制作或外協(xié)加工，第二類設(shè)備為常規(guī)設(shè)備，需要進行選型采購。設(shè)備調(diào)試采取分步驟進行，先局部后整體，在局部調(diào)試沒有問題的情況下，再對整個系統(tǒng)進行全面調(diào)試。設(shè)備完成調(diào)試后，即可進行設(shè)備性能的運行測試試驗，通過測試及數(shù)據(jù)分析以確定整個系統(tǒng)是否達到設(shè)計要求。3.2.4.3甜高粱莖稈液態(tài)固定化酵母快速發(fā)酵工藝流程甜高粱莖稈汁液主要含糖為葡萄糖，屬于可發(fā)酵的單糖。本項目所采用的工藝屬于單濃度液體連續(xù)快速發(fā)酵法，其工藝流程如圖3-6所示。

流態(tài)化快速發(fā)酵莖稈初加工?莖稈榨汁乙醇廢渣回收利用菌種包埋制?！猲z廢水再利用氧化碳污水處理甜高粱莖稈收購蒸餾制粒達標廢水排放圖流態(tài)化快速發(fā)酵莖稈初加工?莖稈榨汁乙醇廢渣回收利用菌種包埋制?！猲z廢水再利用氧化碳污水處理甜高粱莖稈收購蒸餾制粒達標廢水排放圖3-6所示的流程是一個甜高粱莖稈全面綜合利用的流程，除了制取乙醇以外，還包括有二氧化碳氣體回收，蛋白質(zhì)飼料制備等部分，但由于本項目規(guī)模所限，這些回收利用工程尚未列入本項目中，污水處理部分利用山東景芝酒精廠原有的污水處理系統(tǒng)。本工藝與九五開發(fā)的甜高粱稈綜合利用工藝相比，發(fā)酵工藝由固態(tài)間歇式變成了液態(tài)連續(xù)式；酵母由一次性使用變成了長期連續(xù)使用；由于發(fā)酵面積成幾何級數(shù)增加，使發(fā)酵時間由72?96h縮短到8?10h。本工藝與常用的液態(tài)連續(xù)快速發(fā)酵工藝相比，酵母由塊狀變成了粒狀，省掉了酵母的安裝固定工序，使生產(chǎn)過程得以簡化；酵母由靜態(tài)變成了懸浮流動狀態(tài)，使料液和酵母有效接觸面積和接觸機會成倍增加，因此發(fā)酵速度更快，而且沒有反應(yīng)死角，不滋生雜菌。3.2.4.4固定化酵母連續(xù)快速發(fā)酵系統(tǒng)主要實驗內(nèi)容與結(jié)果歸結(jié)上述，主要在以下幾個方面進行了深入細致的實驗、研究，通過不斷的反復(fù)的實驗、測試、分析，最終獲得了較好的實驗結(jié)果。（1）甜高粱莖桿汁液提取的工藝與設(shè)備方面的實驗研究內(nèi)容?提汁工藝參數(shù)（包括生產(chǎn)率、出汁率、動力消耗、注水量、汁液錘度、壓榨機轉(zhuǎn)速等）?汁液的特性（包括黏度、比重、錘度及與溫度的關(guān)系）?莖桿儲存時間的影響?渣的特性（含水量、含糖量及其它營養(yǎng)成份分析等）?汁液的儲存方式及方法（2）固定化細胞顆粒制取的工藝與設(shè)備方面的實驗研究內(nèi)容?固定化細胞顆粒菌種的篩選（菌種的耐酸性、耐乙醇濃度、產(chǎn)率等）?包埋材料的選擇?固定化細胞顆粒的物理性能（比重、粒度及分布、機械強度、流體力學(xué)特性）?固定化細胞顆粒的生物學(xué)特性（細胞密度、細胞活性、細胞的新陳代謝等）（3）流化床連續(xù)發(fā)酵的工藝與設(shè)備方面的實驗研究內(nèi)容?流化床連續(xù)發(fā)酵的啟動與正常運行的工藝參數(shù)（包括流加流量、溫度、PH、發(fā)酵時間等）?固定化細胞顆粒在發(fā)酵罐內(nèi)的分布及流化狀態(tài)?固定化細胞顆粒的壽命?流化床連續(xù)發(fā)酵的自動控制系統(tǒng)?流化床連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng)的放大問題（4）實驗結(jié)果：?中試規(guī)模（發(fā)酵罐有效容積）：5m3?流加速度：500L/h—1000L/h?產(chǎn)酒率：8.7%（v/v）[平均汁液錘度17%]平均停留時間：5—10h殘還原糖量：＜0.2%生產(chǎn)率：7—11g/L?h生產(chǎn)能力：720—1680L/d轉(zhuǎn)化率：＞46%4.1項目采用的技術(shù)路線和關(guān)鍵技術(shù)4.1.1項目技術(shù)路線4.1.1.1甜高粱莖稈制取乙醇液態(tài)發(fā)酵工藝（固定化酵母連續(xù)快速發(fā)酵系統(tǒng)）酵母粒子添加孔第五級發(fā)酵汁液殺菌調(diào)配緩沖第一級發(fā)酵圖4-1固定化酵母連續(xù)快速發(fā)酵工藝原工藝說明:產(chǎn)量：年產(chǎn)400噸乙醇原料：甜高粱莖稈汁液發(fā)酵罐總?cè)莘e5m3,5個發(fā)酵罐串聯(lián)連接，構(gòu)成5級連續(xù)快速發(fā)酵系統(tǒng)發(fā)酵菌種：固定化酵母，一次加入可連續(xù)使用，酵母費用可節(jié)省80%發(fā)酵周期：6-9小時?乙醇濃度：6~7%(v/v)[平均汁液糖度15%(v/v)]4.1.2關(guān)鍵技術(shù)4.1.2.1固定化酵母工藝該項技術(shù)是采用先進的細胞固定化技術(shù)改造傳統(tǒng)的乙醇發(fā)酵工藝，增產(chǎn)降耗效果明顯，是乙醇發(fā)酵行業(yè)的一項重大技術(shù)突破。它與傳統(tǒng)發(fā)酵工藝相比，具有如下特點：固定化酵母可重復(fù)使用，使用期在160天以上，抗雜菌能力強；不再需要酒母培養(yǎng)；和批次發(fā)酵相比發(fā)酵時間從70—80小時縮短到6—9小時；該項技術(shù)適用于所有淀粉料(包括玉米、瓜干料)及糖蜜料乙醇生產(chǎn)廠家。?固定化細胞載體反復(fù)使用半年以上，由傳統(tǒng)法的每天接種變?yōu)槊磕暌淮涡越臃N。?發(fā)酵周期由傳統(tǒng)法的72小時縮短到6—9小時。4.1.2.2固定化酵母流化床發(fā)酵工藝及中試工程技術(shù)本項目的關(guān)鍵技術(shù)在于采用固定化酵母工藝，使酵母粒子在發(fā)酵過程始終處于懸浮流動狀態(tài)即流態(tài)化發(fā)酵狀態(tài)，這一關(guān)鍵技術(shù)也是本項目的創(chuàng)新點之所在。?粒狀固定化酵母及其制備的創(chuàng)新固定化酵母(ImmobilizedYeast)，是采用種菌及其載體包埋固定技術(shù)進行制備，本項目由于采用流態(tài)化發(fā)酵工藝，固定化酵母為圓粒狀，且在發(fā)酵過程始終處于懸浮流動狀態(tài)，這種固定化酵母粒子是首次在國內(nèi)外的中試規(guī)模的工程中采用。根據(jù)發(fā)酵工藝