1、生物工程毕业论文年产10万吨的木薯酒精发酵工厂设计生物工程毕业论文-年产10万吨的木薯酒精发酵工厂设计 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行业以及我国酒精行业都快速发展趋势Alcohol has very extensive application in a great deal of fields such as peoples daily life and scientific research The trades and alcohol trades of our country have fast development trends on eart
2、h in the world The output is increased progressively year by year The ability for producing alcohol of the fermented law will become the sign of a national economic strength The fermented law is mainly to utilize microorganism to have no oxygen to ferment it suck candy material likesugarcane sweet p
3、otato carbohydrate in the material such as the maize are turned into ethanol turn into alcohol This law raw material sources are abundant the environmental protection of the production process is worth popularizing in a more cost-effective manner Originally design the fermented workshop produced to
4、alcohol to calculate with the selecting type of the apparatus strive to make the theory combine with practiceKeyword Alcohol Fermented law Fermented workshop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 -1141 沸点 783 相对密度 水 1 079 相对蒸气密度 空气 1 159 饱和蒸气压 kPa 533 19
5、 燃烧热 kJmol 13655 临界温度 2431 临界压力 MPa 638 辛醇水分配系数的对数值 032 闪点 12 引燃温度 363 爆炸上限 VV 190 爆炸下限 VV 33 溶解性 与水混溶可混溶于醚氯仿甘油等多数有机溶剂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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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 -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 33333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05 8产品质量 普通三
13、级酒精乙醇含量95 体积分数 9甘薯干原料含淀粉769水分129 10-淀粉酶用量为8ug原料糖化酶用量为150ug原料酒母糖化醪用糖化酶量300ug原料 11硫酸氨用量 7kgt酒精 12硫酸用量调PH用 5kgt酒精4 原料消耗的计算1 糖化 C6H10O5n nH2OnC6H12O6 162 18 180发酵 C6H12O62C2H5OH 2CO2 180 92 88 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100016392 17609kg 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
14、相当于9241质量分数故生产1000kg普通三级酒精理论上须淀粉量为176099241 16272kg 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 040 蒸煮 淀粉损失及糖分损失 050 发酵 发酵残糖 150 发酵 巴斯德效应 400 发酵 酒汽自然蒸发与被CO2带走 130 有酒精扑集器为030 蒸馏 废糟带走等 185 总计损失 955 假定发酵
15、系统设有酒精扑集器则淀粉损失率为855故生产1000kg普通三级酒精须淀粉量为 16272 17793kg 100-855这个原料消耗水平相当于淀粉出酒率为100017793 562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767故1吨酒精耗甘薯干量为 17793767 23198kg 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 17793-G1767 6 -淀粉酶消耗量 应用酶活力为2000ug的 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
16、8ug原料计算 用酶量为 2319810008 928kg 2000 7 糖化酶耗用量 若所用糖化酶的活力为20000ug使用量为150ug原料则糖化酶消耗量为231981000150 174kg 20000此外酒母糖化酶用量按300ug原料计且酒母用量为10则用酶量为 231981070300 244kg 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01设酒母醪量为G0则硫酸氨耗量为 01G05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133粉浆量为 23198133 997514蒸煮过程使用直接
17、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 871的薯干比热容为 C0 4181-07B0 163kJ kgK 粉浆干物质浓度为 B1 87143100 203蒸煮醪比热容为 C1 B1C
18、010-B1CW 20316310-203418 366kJ kgK 式中 Cw水的比热容kJ kgK 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 997514 99751436688-55 104811kg 27489-88418式中 27489喷射液化器加热蒸汽05Mpa的焓kJK2经二液化维持罐出来的蒸煮醪量为104811 10481136688-84 104140 kg 22883式中 22883第二液化维持罐的温度为84度下饱和蒸汽的汽化潜热 kJK 3 经喷射混合加热器后的蒸煮醪量为104140 104140366115-84 109349 k
19、g 27489-115418式中 115灭酶温度摄氏度2748905Mpa饱和蒸汽的焓kJK 4经汽液分离器后的蒸煮醪量 109349 - 109349366115-1043 107442 kg 2245式中 22451043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 107442 - 1074423661043-63 100208 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 kJK 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801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
20、的5和1则生产1000kg95体积分数酒精成品有关的计算如下1 F1 10009241 10051 100 124477 kg 98801 2 12477106 11771 kg 3 10009241 756质量分数98124774 CO2总量为10009241 44 902 kg 98 66 5 接种量按10计则酒母醪量为11771902 10 11521 kg 100101006 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11771902 11521 70 12327 kg 100101007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123在保证主产品质量合格的前
21、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1002 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0307取平均值05则淀粉原料生产1000kg酒精副产杂醇油量为100005 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 D1 Q4 Q4 D1t4 Q1 1FC1
22、t 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 75塔顶上升酒器的乙醇浓度50体积分数即4718质量分数则 醪塔上升蒸汽量为 V1 12477 756 1999kg 4718 残留液量为Wx 12477-1999 10478 kg 成熟醪比热容为c1 4018 1019-095B1 4018 1019-09575 396kJ kgK 成熟醪带入的热量为Q1 F1c1t1 1247739670 3460000 kg 蒸馏残液固形物浓度为 B2 F1B1 1247775 893 Wx 10478此计算是间接加热故没有蒸汽冷凝水
23、的工艺 蒸馏残液的比热容为C240181-0378B2 403Kj kgK 塔底残留液带出热量为 Q4 Wxc2t4 10478403105 4430000 kJ 查附表得50体积分数酒精蒸汽焓为I 1965kJkg故有 上升蒸汽带出热量为Q3 V1I 1991965 3930000 kJ 塔底采用005Mpa表压蒸汽加热焓为26898kJkg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 Q3Q4Qn-Q1 I-cwt4 39300004430000-3460000 26898-418000 99 2199 kg 若采用直接蒸汽加热则塔底排出废醪为Wx D1 1
24、04782199 12677 kg 8100000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 日产普通三级酒精为100000300 33333t 日产次级酒精为33333298 680t 日产酒精总量为33333680 34013t 实际年产量为 普通三级酒精量为33333300 100000ta 次级酒精量为680300 2040ta 酒精总产量为 1000002040 102040ta2 日消耗量 2319834013 11835620kg年消耗量 11835620300 3550686kg淀粉酶糖
25、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 2925 702 2106 甘薯干 23198 32962 7911 237329 -淀粉酶 928 193 0464 1392 糖化酶 2337 338 0811 2433 硫酸氨 115 166 004 120 硫酸 50 104 025 75 蒸煮粉浆 997514 207815 49876 1496271 成熟
26、蒸煮醪 100208 208767 50104 150312 糖化醪 12327 2568125 61635 184905 酒母醪 11521 24002 576 172815 蒸煮发酵醪 12477 2599375 62385 187155 杂醇油 5 104 025 75 二氧化碳 902 187917 451 13530 废渣 12677 264104 63385 190155 二 普通三级酒精发酵车间的物料衡算 1酒精发酵工艺流程示意图 酒精发酵采用淀粉原料双酶法糖化间歇发酵其工艺流程示意图如图一 2工艺技术指标及基础数据1 酒精发酵工艺技术指标 指 标 名 称 单 位 指 标 数 生
27、产规模 ta 100000 生产方法 间歇发酵 年生产天数 da 300 产品日产量 td 334 产品质量 纯度95 倒罐率 1 发酵周期 h 70 发酵初糖 kgm3 150 淀粉转化率 98 糖酸转化率 50 酒精提取率 98 2主要原材料质量指标 淀粉原料的淀粉含量为767含水143种子培养基gL 水解糖25甘薯干粉1620NH4SO405尿素05H2SO410124酵培养基gL 水解糖150甘薯干粉1620尿素03-淀粉酶10接种量3酒精发酵车间的物料衡算 首先计算1000kg纯度为95的酒精耗用的原材料及其他料量1 V1 1000150509895 143m3式中 150发酵培养基
28、初糖浓度kgm3 50糖酸转化率 98淀粉转化率 98酒精提取率2 以纯糖算 G1 V1150 2148kg 3 二级中液量 V2 101432 1432 m3 4 二级种子培养液所需水解糖量 G2 25V2 251432 358kg式中 25二级种液含糖量kgm3 5 生产1000kg普通三级酒精所需水解糖总量为 G G1G2 2148358 21838kg 6耗用淀粉原料量理论上1000kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg故理论上耗用淀粉原料量为 G淀粉 2183876798 261739kg式中 767淀粉原料含纯淀粉量 98淀粉糖化转化率7尿素耗用量 二级种液耗尿素量为 03V2 03
29、1432 043kg 发酵培养基耗尿素为 05V1 6264kg 故共耗尿素量为 716045 759kg 8二级种液耗用NH42SO4量 051432 0716kg 9种子液耗 淀粉酶量为 011432 1718kg 10种子液H2SO4耗用量 121432 1718kg100000吨年酒精厂发酵车间的物料衡算表物料名称 每生产1吨酒精95的物料量 100000吨年酒精生产的物料量 每日物料量 发酵液m3 143 1430000 476667 二级种液m3 143 143000 47667 发酵水解糖kg 2148 214800000 716000 二级种液培养用糖kg 385 385000
30、0 1283333 水解糖总量kg 21838 218380000 72793333 淀粉kg 261739 261739000 87246333 尿素kg 759 759000 2530 硫酸氨kg 0716 71600 23867 -淀粉酶kg 1432 143200 47733 硫酸kg 1718 171800 57267 三 100000吨酒精发酵车间水衡算采用间歇发酵过程从糖化锅内分出糖化醪到酒母培养罐需要加入水进行稀释1 酒母糖化醪稀释用水补充60温水与用作酒母的糖化醪应满足发酵接种量10的需要因此补充水量为m1 93G110-7G1 483299310-748329 11116 kgh 式中 93淀粉原料加入发酵锅的量 7淀粉原料加入种子液中的量 10接种量 48329淀粉质原料耗用量kgh2 酒母糖化醪杀菌后冷却水用量为m2 m糖化醪366 80-27 418 25-17 256812536653 41818 66210 kgh 式
