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1、1 绪论引言随着社会的发展，社会对燃料能源（石油、天然气、煤矿等）的需求越来越 大，而燃料能源储量越来越少， 价格越来越低， 人们迫切需要找到一种新的可再 生能源代替现有的燃料能源。其中，最受欢迎的是燃料酒精。今年以来，世界各 地积极要求发展生物燃料乙醇产业， 建设燃料乙醇项目的热情空前高涨， 主要原 料是玉米。利用生物质原料发酵法生产乙醇是全世界目前解决“能源危机”和“石油危 机”最有效的途径之一。燃料乙醇燃料乙醇，一般是指体积浓度达到 %以上的。燃料乙醇是一种取之不尽用之 不竭的可再生能源，是目前唯一进入市场、应用最广泛、具有较为成熟的技术、 可替代石油燃料的大宗可再生生物能源， 它能够立
2、竿见影地大幅度节省石油的消 耗。燃料乙醇是燃烧清洁的燃料， 可在专用的乙醇发动机中使用， 又可按一定的 比例与混合， 在不对原做任何改动的前提下直接使用。 使用含醇的汽油可减少汽 油消耗量，增加燃料的含氧量，使燃烧更充分，降低燃烧中的 CO 等污染物的排 放。燃料乙醇的优势 燃料酒精最明显的一些优势是：一、来源广，可再生。可以以谷物淀粉为原 料生产燃料酒精， 以植物秸秆等纤维素为原料生产燃料酒精， 以甘蔗作为原料生 产燃料酒精，以蜜生产燃料酒精等等。二、无污染。石油、天然气、煤矿等燃料 能源的使用产生了很多环境问题。 例如：酸雨等环境污染， 而燃料酒精产生的是 二氧化碳和水，对环境无污染。大致
3、流程玉米一-粉碎一-加酵母糖化酶一-加水配料一-搅拌一-封膜一-发酵粗馏一-精馏一-成品乙醇发酵方式连续发酵：是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同速度 流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。间歇发酵：间歇式发酵法就是指全部发酵过程始终在一个发酵罐中进行。由 半连续发酵：是指在主发酵阶段采用连续发酵，而后发酵则采用间歇发酵的 方式。由此可见，发酵的方式有多种选择，连续发酵有诸多优点，却有一个缺点， 那就是一旦首罐发生染菌， 就会连续多罐染菌。 所以。采用半连续发酵是一个较 好的选择。当然间歇发酵可以避免染菌，但操作较麻烦。操作方法操作方法：先粉碎，粉碎完后，再把原料
4、进行蒸煮糖化，整个过程的温度为900C至1030C左右，液化的温度为900C至95C,糖化中后熟器的温度在 90C至 103C,液化罐的温度在1000C左右，然后加热至连消器、维持器，温度为 1030C 至104C,之后进入一级闪蒸器，温度降到 75C左右，在进行二次闪蒸，最后加 糖化酶，温度在580C至62C,然后再降温进入发酵阶段，发酵总周期：玉米 60h -62h,-。酒精发酵设备-酒精发酵醪的成熟指标。发酵完毕后，在进入蒸馏塔 进行蒸馏，常压精馏塔的设计压力：；设计温度：130C,因其含水分比较高，所以需要脱水，脱水后的乙醇纯度达到 99%以上，即满足生产的要求了。环保处理 酒精生产所
5、产生得废水是有毒、有害的，必须要进一步处理后才能排放到自 然界中。废醪通过固液分离，除去其中大部分纤维、蛋白等固形物，同时得到符 合要求的清液， 经过四效降膜蒸发， 浓缩到干物含量为 3844%的浓浆， 然后按 一定比例与滤渣混合后进行干燥。 物料中的水份被蒸发出来经过冷凝成为二次冷 凝水通过利用厌氧生物细菌和好氧生物细菌的新陈代谢作用对污水进行处理， 使 废水最终达到排放标准。本文研究的内容本文通过对使用玉米加工无水乙醇的生产工艺原理和目的的分析， 进一步介 绍发酵前的预处理以及发酵、 蒸馏脱水工艺所注意的问题， 同时对现在经济发展 形势下的废水废渣等处理工艺进一步的研讨， 从而论证生产无水
6、乙醇最佳的生产工艺方法的选择。2 乙醇总体工艺设计原料处理玉米生产酒精， 首先要将玉米加工成适合发酵的糖液， 这就是预处理。 这个 过程包括玉米的除杂、润水、脱胚、分筛、粉碎、调浆、液化以及糖化等工序。2.1.1 玉米的前期处理玉米经过清理、分离除铁器和灰分， 然后根据玉米的水分， 通过适当的润水， 使玉米胚具有抗击打的韧性。 灰分含微量淀粉， 其中有大量沙石， 对设备的磨损 影响很大。 铁器不但磨损设备， 大一点的会直接对设备产生破坏。 所以在对玉米 进行加工前， 去除灰分和铁器可以减少设备的损耗， 还可以节约大量的能耗。 玉 米经过初清筛及永磁筒可以去除大部分灰分及铁性杂物。而通常玉米的水
7、分在 17%以内，经过用80C润水后达到20%的水分，润闷约5-6小时，使玉米胚具有 抗击打的韧性。2.1.2 玉米的脱胚玉米胚芽含油量在 35%左右，而玉米油对发酵液面的张力影响很大， 严重影 响着发酵的各项指标。 如果将玉米油提炼出来， 既能避免影响发酵指标， 又多产 出玉米油这个副产品，对降低生产成本有着诸多好处。玉米在脱胚机的击打下使玉米胚脱出， 再通过磨粉机、 挑担筛等设备将玉米 胚分离出来送到玉米油加工工序， 玉米面经调浆后送至粉碎， 玉米糁直接送到粉 碎车间进行粉碎。2.1.3 玉米的粉碎和调浆玉米糁通过粉碎机粉碎将玉米粉碎成细小颗粒， 破坏淀粉细胞壁， 释放出淀 粉，增加淀粉颗
8、粒与水的接触面积， 有利于后面工序中与淀粉酶接触， 有利于淀 粉颗粒吸水膨胀、糊化、液化，提高热处理效率，缩短热处理时间，粉碎后的玉 米与水混合也容易密封输送，减少物料的污染和流失。一般粉碎粒度88%。高 温水调玉米浆温度为 63-68C, PH值，玉米浆通过拌料罐，在玉米浆输送泵作 用下泵至液化工序。2.1.4 玉米的液化和糖化2.1.4.1 液化耐高温a -淀粉酶是采用国外优质菌种，经深层发酵，精炼而成，能随机水 解淀粉质原料及其降解物内部的a葡萄糖苷键，使胶状淀粉溶液粘度迅速下降， 过度水解可产生少量葡萄糖和麦芽糖。常规性生产中，料与水混合均匀，料水比 1： 4, PH值为一，水温45C
9、 55C，每吨料加本品0.3升左右，搅拌均匀后加热，蒸煮时温度控制在100土 5C, 时间 100 分钟左右，碘液试验为粉红色，即液化完成，然后进行糖化。工艺简述：粉碎玉米浆经调浆后经泵输送至液化，先经一次喷射器加热至85C，从一级 配料罐上部进料， 经溢流管流入二级配料罐， 从二级配料罐出料， 经喷射后进入 承压罐，喷射后的物料先进一级闪蒸罐经闪蒸降温至 85-90T ,在一级闪蒸出料管 通过计量泵加入淀粉酶， 随后进入一级维持罐， 经溢流管流入二级维持罐； 然后 泵至层流罐液化，物料从 7#层流罐底出料管直接进入二级闪蒸罐，经闪蒸降温 至75C，经过液化板换降温至 60C去糖化。2.1.4
10、.2 糖化淀粉糖是以玉米等农产品为原料 ,最主要的是玉米运用生物技术经过水解转 化而生产的。近些年来 ,连续糖化技术应用于淀粉糖的生产 ,代替了传统酸法制糖 工艺,推广双酶法及高、低压喷射液化技术。利用高效糖化酶在糖化罐内将淀粉液化产物糊精和低聚糖进一步水解成葡 萄糖。从而将淀粉液化产物中糊精及低聚糖水解为可供酵母利用的发酵性糖。 工艺简述：液化液经过液化板换降温至60C,在板换出料管通过计量泵加入糖化酶，随 后进入静态混合器加酸调 pH 至，输送到糖化罐糖化，糖化时间控制在 15-20分 钟，再经过泵输送到发酵工序。2.1.5 乙醇发酵常用的微生物自然界中， 很多微生物都能代谢产生乙醇， 氮
11、酿酒酵母等酵母菌和兼性厌氧 细菌运动发酵单细胞是目前乙醇生产的主要微生物。 此外，根据不同的代谢途径 构建的基因工程菌也是显示了良好的特性。1) 酵母 淀粉质原料发酵最常用的菌种是酵母，酵母属于真菌中的子囊菌 纲、源自囊菌目、真酵母科、无丝酵母属，是单细胞微生物。酵母一般呈卵形、椭圆形或卵圆形，大小在611 m之间活性干酵母 活性干酵母是经优选的乙醇酵母繁殖得到菌体后再经干燥得 到的一种保持活性的干酵母制品，它经复水活化后即能完全恢复其正常的繁殖、 发酵性能 15。它主要有一下优点：可节省酒母培养的投资，简化生产环节，提 高劳动生产率；活性干酵母质量稳定，活化操作简单，能保证发酵的稳定性；活
12、性干酵母种类多，具有较强的实用性；能有效提高发酵率，降低生产成本；干酵 母含水分低，储存方便，能随时投入使用。自絮凝酵母 通过原生质融合技术可以使酵母获得自絮凝的特征， 在培养和 发酵过程中自絮凝形成毫米级大小的颗粒。 自絮凝酵母乙醇技术的推广应用给乙 醇工艺技术带来了重大突破。与现有各种乙醇发酵技术相比， 自絮凝颗粒酵母乙醇发酵新工艺具有的突出 优点有： 酵母细胞在发酵罐中实现完全固定化，这一无载体固定化细胞技术不产 生任何附件费用； 单位体积发酵罐中酵母密度可以高达 50100g/L （干重），细胞密度显着 提高。平均发酵时间缩短，发酵罐设备生产强度相应提高； 原料的前处理及酵母细胞的完全
13、固定化， 使进入后续精馏系统的发酵液比 较清洁，基本不含颗粒酵母，精馏过程生产的废糟液 COD 降低，有利于实现清 洁生产。2）运动发酵单胞菌 运动单胞菌最早是 Linder 于1 942从龙舌兰酒中分离得 到的。为革兰阴性、厌氧细菌，单胞菌能够耐一定的氧气。其通过 ED 途径，专 一代谢葡萄糖、果糖、蔗糖作为碳源和能源。利用葡萄糖和果糖时。能够得到近 似理论产量的乙醇。 该菌具有高耐糖能力、 高耐乙醇能力、 低生物量和高乙醇回 收率以及发酵速度快等优点。 单它的缺点时碳源利用面窄， 仅限于葡萄糖、 果糖 和蔗糖。所以，当以淀粉质原料发酵制乙醇时需要对原料进行处理转化为可被利 用的糖类。将运动
14、单胞菌与其他微生物如黑曲霉共固定化， 可以解决碳源利用面 窄的问题。本文选择活性干酵母为发酵乙醇。 目前，活性干酵母已经广泛用于乙醇企业 中。经多年的推广， 国内不少企业已经成功的将活性干酵母应用于乙醇生产， 实现了提高酒分、降低消耗等目标。2.1.5.1酵母生长条件酵母的生长受到温度、pH和培养基组成等因素的影响。1）温度 温度对酵母的生长影响。酵母正常的生活和繁殖温度是 2930C 在很高或很低的温度下，酵母的生命活动会削弱或停止。酵母生长的最高温度是 38C,最低位-5C；在50C时酵母死亡。温度不同，酵母的世代时间也显着不同， 如表所示。表 乙醇酵母在不同温度下的世代时间温度/C810
15、1828333639乙醇酵母世代时间/h酵母生长的最适温度和最适的发酵温度不同。生产实践中，酵母的最适生长 温度控制在2830C，最适发酵温度控制在3033C。此外，在较高的温度下， 野生酵母和细菌的繁殖速度要比乙醇酵母快，会导致发酵醪酸度增加，降低乙醇 产率。2）pH 酵母的pH和氧化还原电位有关，而氧化还原电位有与酵母的呼吸有直接联系。乙醇酵母可在环境中进行繁殖，如果醪液的pH低于3,则酵母的活 力大减。酵母生长的最适pH为，当pH降到以下时，酵母仍能继续繁殖，但此 时，乳酸菌已停止生长。酒母的这种耐酸性常用来清除污染醪中的细菌，即采用加酸调节醪液pH至4,并保持一段时间酵母能继续生长并最终占据优势，而细菌污染可被消除。正常的糖化醪的 pH为左右，适宜于酵母菌的繁殖和发酵。 但为了保证酵母菌繁殖，并一直杂菌生长，生产中常将酒母糖化醪的pH控制在。3）培养基 酵母的生长需要各种营养，在培养基的制备上必须首先满足酵 母生长和发酵的需求，并在此基础上，考虑各组成配比及成分对酵母的影响。2.1.5.2酵母的培养工艺乙醇发酵所需酵母的接种量一般为10%，对于大型发酵罐来
