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1、海南大学 生物工艺原理课程设计海 南 大 学 生物工艺原理课程设计 说 明 书题 目：年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计木薯淀粉预处理及其糖化工艺初步设计学 院： 材料与化工学院 专 业： 生物工程 班 级： 2011级生物工程2班 学 号： 姓 名： 组 员： 指导教师： 刘平怀 时 间: 2014年5月 目录 摘要4第一章绪论51.1引言51.2 木薯酒精介绍61.3 设计指导思想和原则61.4 设计依据61.4.1设计课题61.4.2 设计条件7第二章 生产工艺流程选择和论证82.1 木薯燃料酒精生产流程82.1.1 木薯燃料酒精发酵方式介绍82.1.2 木薯酒精发酵方式92.2木
2、薯淀粉预处理及其糖化工艺流程92.2.1 木薯淀粉预处理92.2.2木薯淀粉糖化工艺流程10第三章生产工艺设计113.1 木薯除杂设备的设计113.2原料输送113.3粉碎装置123.4液化技术123.4.1糊化123.4.2液化133.4.3 DE值的控制133.5糖化143.5.1糖化用酶143.5.2糖化工艺143.6板框压滤143.6.1影响过滤的因素及提高过滤速度的方法153.6.2工艺对过滤速率的影响153.7 中和153.8.脱色工艺及设备163.81脱色的目的及原理163.8.2脱色工艺条件163.8.3脱色设备163.9工艺流程16第四章工艺计算174.1物料衡算174.2热
3、量衡算19第五章生产设备设计与选型225.1分离设备225.1.2. 薯粉回收与灰尘去除设备设计235.2 粉碎机选型235.2.1锤式粉碎机的生产能力235.2.2粉碎机数量245.2.3主要尺寸计算245.3 糊化锅的设计及选型255.3.1能力的确定265.3.2设备容积的计算265.3.3设备数量的计算265.3.4设备主要尺寸计算265.3.5糊化锅的操作注意事项：285.4 糖化锅设备选型295.4.1原料消耗的计算295.4.2淀粉酶消耗量295.4.3糖化酶耗用量295.4.4 硫酸氨耗用量305.4.5蒸煮醪量的计算305.4.6.糖化醪与发酵醪量的计算315.4.7糖化锅操
4、作步骤325.4.8 糖化锅注意事项32第六章 设计结果评析33第七章 总结感想33参考文献34附图34摘要木薯具有良好的加工性能，也不与粮食作物争地，是一种有很大发展潜力的酒精生产再生资源，将其应用到发酵工业，具有广阔的发展前景。据相关资料显示广西的木薯产量较大，1全国60%的木薯淀粉是由广西生产，广西对于生产木薯酒精具有独特的优势。海南也具有独特的自然环境，木薯酒精生产具有深远的优势，以木薯为原料进行酒精发酵的工艺较成熟。本文简述了木薯原料预处理、液化及酶糖化生产工艺。关键词: 木薯酒精 ；双酶制糖 ；燃料酒精 ； 第一章绪论1.1引言乙醇工业在我国轻工业中占有十分重要的位置,它是许多化工
5、产品的生产原料,在医药工业、食品工业和燃料工业等方面都有广泛的应用,同时也是国家战略安全保障基础之一。在过去的几十年里,随着世界经济的发展,全球乙醇需求持续迅速增长。全球乙醇迅速发展的原因主要有1、保障能源安全,解决能源紧张。随着全球经济不断扩张,各国对能源需求的压力越来越大。可用石油和天然气却越来越少,且价格飞涨。寻求新能源以保障本国能源安全已成为包括中国在内的许多国家的重要战略目标。2、减少环境污染。由于传统能源消耗所产生的二氧化碳等温室气体及其导致的全球气候变化已成为近期全球关注的焦点,发展生物质能源可以降低温室气体排放。乙醇以其燃烧更完全、CO排放量较低、燃烧性能与汽油相似等优良特性,
6、被誉为21世纪的“绿色能源”。3、生物液体能源的出现为农产品找到了新市场。一方面解决了当地农产品转化问题,增加了加工深度,提高了产品附加值,发挥了稳定农产品价格、提供就业岗位、增加农民收入的作用;另一方面,也使国家拥有一个可靠的粮食转化和调控手段,促进本国农业生产和消费形成良好循环。进入21世纪,我国经济和社会可持续发展面临的能源、环境、农业等问题越来越突出,开发燃料乙醇,节省石油消耗,是我国重要的战略举措之一。从能源安全的角度出发,新能源和可再生能源的开发利用,可以缓解石油进口量和进口依存度迅速攀登造成的影响。随着我国城市化建设的进行,大气污染日趋严重,与CO:的排放量分别居世界的第一和第二
7、位。通过在汽油中添加燃料乙醇,可切实减少温室气体等有害气体排放,对改善我国城市环境质量意义重大。作为一个幅员广阔的农业大国,在亚热带省份发展可开垦荒草地、可开垦盐碱地、可开垦滩涂等种植木薯等经济作物,不仅可以有效增加农民收入,且将形成一个新型能源一农业产业链,带动传统农业向现代化农业转变,为中国农村的城镇化建设提供强有力的支持。目前,我国燃料乙醇发展尚处于起步阶段。原料资源不确定、产业化基础薄弱、产品缺乏市场竞争力以及政策和市场环境不完善等都显著制约了燃料乙醇产业的快速发展。当前形势下,全球的发酵乙醇产业,在生产规模和整体加工工艺方面已出现一场由生物工程技术指导下的跨越性进步。如由发酵罐容积变
8、大以及连续发酵的实现,每吨原料的乙醇产量的明显提高;由设备、工艺改进,发酵过程控制进步带来的发酵成熟醪乙醇浓度的大幅度提高,每吨乙醇耗能的大幅度降低。解决大量燃料乙醇生产需要的廉价、非粮原料来源,生产过程中的大量能耗问题等将是发酵乙醇作为成为可再生能源产业所面临的首当其冲问题。在学习掌握所学的生物工艺学、生物工程设备、化工原理等课程的基本理论和基础知识的基础上，通过本次课程设计，培养我们综合运用这些知识分析和解决实际问题的能力以及协作攻关的能力，训练我们使用文献资料和进行技术设计、运算的能力，提高文字和语言表达能力，为其它专业课程的学习和毕业论文（设计）打下基础。1.2 木薯酒精介绍木薯(ca
9、ssava)是热带和亚热带广泛种植的粮食和经济作物,多年生,属大戟科,灌木状,植株高23m,茎干直径5cm,质地甚脆,多髓心,叶片呈掌状。根为块根,呈柱形或纺锤形,直径515cm,长3040cm,长者可达80100cm。块根表面为一层棕色或淡黄色的表皮,块根质地松脆,淀粉较纯,除供食用和淀粉工业原料之外,大多数国家作饲料用。由于木薯适应性强,耐水、耐旱,在任何土质中都能生长,是一种不与粮食争地的有发展前途的酒精生产原料。木薯品种很多,一般分为苦味木薯(Manihot utilissima)和甜味木薯(Manihot aipi)。苦味木薯;又称有毒木薯,茎杆为红色或淡红色,产量高,但生长期较长,
10、一般为18个月,且含氢氰酸较多。氢氰酸易挥发,在木薯晒干后大部分消失,在酒精生产过程中,经蒸煮后几乎大部分消失,故不会影响酒精发酵和成品质量。甜味木薯:又称无毒木薯,茎杆为绿色或棕色,生长期较短,一般为12个月,产量较低。块根中氢氰酸含量较少,处理后可以食用。木薯块根的化学成分,除水外,主要是碳水化合物,其他成分,如蛋白质、脂肪、果胶质等含量都比较少。木薯被誉为“淀粉之王”。2鲜木薯淀粉含量达25%30%(木薯干可达70%左右),此外还含有4%左右的蔗糖。木薯表皮含有的氢氰酸配体,是氢氰酸的主要来源。木薯作为世界公认的一种具有很大发展潜力的酒精生产再生资源。在国内受到广泛的关注。但作为酒精生产
11、原料木薯也存在一些缺点,如第一,木薯原料的淀粉颗粒大,其中所含的支链淀粉所占的比例要大于瓜干中支链淀粉的比例。这些原因都影响着糖化的效果,继而影响了发酵的最终结果。第二,木薯干根的表面有一层棕色或淡黄色的表皮,其中含有的单宁、色素等对酵母生长繁殖的抑制作用的有机生长因子,直接影响着发酵的结果。如发酵期延长,残糖值偏高等弊病亦于此有关。第三,木薯含氮量较低,不能满足酵母生长所需,所以在用木薯生产酒精时,必须在酒母糖化醪和发酵糖化醪中补充氮源,以利于酵母生长。1.3 设计指导思想和原则一、设计按照设计任务书进行，尽量符合任务书的要求，各种计划进程在任务书的可控范围内。二、工厂充分考虑现今的一些技术
12、，设备，以及设计先进理念，以“工艺先进、技术可靠、系统科学、经济合理、安全环保”为原则，各种设计方案综合比较，取长补短，制定一个高产节能的设计方案，高效生产合格燃料乙醇。三、设计尽量贴近实际，并且努力使其经济效益最大化，在各种设备选型中，合理考虑性价比和地区特性，不盲目追求新设备，新生产线。1.4 设计依据1.4.1设计课题年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计木薯淀粉预处理及其糖化工艺初步设计 （海南大学生物工程课程内容任务书）1.4.2 设计条件生产能力：年产2万吨99.5%酒精含量燃料乙醇原料：木薯产品: 糖化醪生产方法: 双酶制糖工艺 ；同步糖化浓醪发酵工艺第二章 生产工艺流程选择和
13、论证2.1 木薯燃料酒精生产流程2.1.1 木薯燃料酒精发酵方式介绍乙醇生产工艺，按发酵过程物料存在的状态、发酵法可分为液体发酵、半固体发酵和固体发酵；根据发酵料注入发酵罐的方式，可分为间歇式、半连续式、连续式3。乙醇生产工艺分类及关系见图1。现阶段，木薯发酵乙醇工艺主要有生料发酵工艺、固定化发酵工艺、先水解后发酵工艺和同步糖化发酵工艺等4。生料发酵工艺是指微生物将未经蒸煮的生淀粉直接利用进行生长代谢的过程。生料发酵可分两种：一种是利用添加的酶将生淀粉水解成可发酵性的糖来生产乙醇；另一种是微生物直接将生淀粉转化成乙醇。实践证明，生料发酵乙醇随着底物浓度加大，发酵醪中的乙醇浓度也会增大，但同时残
14、余总糖及还原糖也会越多，造成淀粉利用率降低。固定化技术是利用酶或活细胞的高度集中，与普通游离状态的酶或细胞相比，能加快反应速率，并使反应周期缩短和生产效率提高。先水解后发酵工艺中的水解和发酵分别在不同反应器里进行，发酵初期高糖浓度会抑制酵母的生长和糖化酶活性，延长发酵时间。同步糖化发酵工艺是糖化和发酵在一个反应器中同时进行。葡萄糖一经生成，就被酵母代谢，此法能解除底物和产物抑制，并保持糖化酶的活性，避免染菌同步糖化发酵工艺工艺与生料发酵工艺工艺相比，能避免底物抑制，提高乙醇产率，降低能耗，缩短总体发酵时间。木薯生料发酵乙醇工艺，虽然在节能方面具有优异效果，但容易染菌，造成发酵不彻底。 木薯固定化发酵乙醇工艺，因木薯属于淀粉类原料，要先水解后才能发酵，否则易造成传输困难。木薯先水解后发酵乙醇工艺，会造成发酵初期糖浓度过高，影响酵母的发酵效率。木薯同步糖化发酵能
