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1、海 南 大 学 生物工艺学课程设计 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酒精发酵工艺初步设计 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： 20110412310067 姓 名： 赵庆荣 指导教师： 刘平怀老师 时 间: 2011年5月 摘要发酵设备是发酵工厂中的主要设备，发酵设备必须具有适宜微生物生长和形成产物的各种条件，促进微生物的新陈代谢，使之能在低耗能下获得较高产品。因此发酵设备必须具备微生物生长的基本条件。发酵主要分为嫌弃发酵和好气发酵两大类，根据发酵微生物的不同特性我们可以选择与之相对应的不同的发酵设备来进行所需要的
2、发酵过程。酒精发酵属于嫌弃发酵过程，所以酒精发酵罐也需设计制造成嫌弃发酵罐来进行发酵。酒精发酵罐除了满足微生物生产和代谢的基本条件外，发酵微生物热的释放和冷却设备及发酵废液的排放等一系列工艺条件也必须满足。木薯是热带和亚热带广泛种植的粮食和经济作物，适应性很强，耐旱、耐瘠、耐水，对土质要求不高，是可在任何土质中生长的作物。我国南方盛产木薯，产量高，淀粉含量高，木薯的块根淀粉含量达25-30左右，木薯干淀粉含量达70左右，是被誉为“淀粉之王”。木薯已被世界公认具有很大发展潜力、很有前途的酒精生产的可再生资源。近年来，随着木薯原料用于生产酒精逐渐受到人们的重视，国内外学者都致力于木薯生产酒精工艺的
3、研究。所以对木薯发酵生产酒精的研究具有重要的意义。本课程设计题为年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计发酵糖化醪的发酵工艺初步设计，本次设计的酒精发酵罐为年产20000吨，99.5%的酒精，针对500m3的锥形酒精发酵罐的基本尺寸进行设计的。关键词：燃料酒精 木薯 发酵目录1.绪论51.1 设计的目的及意义51.3 设计依据61.3.1设计课题61.3.2 设计条件62 生产工艺流程选择和论证72.1 燃料酒精生产流程（附图2）72.2 酒精发酵工艺流程72.2.1酒精发酵的要求72.2.2 酒精发酵机理72.2.3酒精发酵工艺流程选择82.2.4 木薯酒精发酵工艺的论证82.2.5酒精发酵
4、工艺优化最新研究进展102.3 酒精发酵动力学122.3.1酒精发酵的表示方法122.3.2三酒精发酵的阶段122.3.3 酒精发酵的机制142.3.4 酒精发酵过程中主要副产品的生成142.3.5 发酵成熟醪的指标152.3.6 影响酒精发酵的因素152.3.7 酒精发酵中杂菌污染的危害及其防止163 生产工艺操作条件163.1 设计任务163.2 设计工艺方案的计算163.2.1物料衡算163.2 .2原料消耗的计算184. 无水燃料酒精发酵生产设备的选型234.1 主要设备发酵罐的设计与选择244.1.1 发酵罐选择原则及选型244.1.2糖化醪与发酵醪量的计算254.1.3 发酵罐几何
5、尺寸及全罐表面积的确定264.1.4 设备材料的选择274.1.5 发酵罐的壁厚计算274.2接管设计284.3支座的选择285. 发酵废醪后处理工艺287 总结感想308 附图328.1 工艺流程图（见附图1）328.2间歇发酵流程及其程序控制图（见附图2）328.3发酵罐示意图（见附图3）328.4 生产平面图示意图（见附图4）328.5 车间布置图（见附图5）329 参考文献321.绪论1.1 设计的目的及意义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
6、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。随着国际燃油价格的不断攀升，能源的短缺及燃料酒精的推广使用，燃料酒精行业获得了大好的发展时机。从资源、技术和经济性分析，我国发展生物质能源产业时机基本成熟，需要加快发展步伐。且生物质能源能有效降低污染，与普通汽油相比，使用车用乙醇汽油后，一氧化碳的排放可降低7%，碳氢化合物可降低48%。因此，开发和使用生物质能源符合保护环境，实现循环经济和可持续发展的要求。目前，发展生物质能源替代石油，已确定为我国的一项重要战略决策。为避免燃料乙醇与人“争粮”问题的进一步发展，我国科技工作者努力寻求
7、各种非粮材料以替代玉米、小麦等。所以第二代生产燃料乙醇的基础原料是非粮材料，包括薯类物质、稻草和其他植物纤维材料等。发展燃料乙醇的重点在于推进“非粮”原料的应用，以推进第二代生物燃料乙醇的产业化发展。我国木薯资源总量巨大，而现在其利用率极低，相当数量的都烂在地窖里。木薯是多年生植物，盛产于我国南方，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，因此被誉为“淀粉之王”。鲜木薯淀粉含量高达25%30%，木薯干的淀粉含量高达70%78%，是世界公认的一种具有很大发展潜力的酒精生产再生资源。一般可分为甜味木薯和苦味木薯，前者无毒但产量低，不适合作为大规模生产的原料；后者产量高，但因
8、含有剧毒物质氢氰酸0.07%0.24%而得名有毒木薯，不过作为酒精生产原料，蒸煮时大部分氢氰酸蒸发出去，并不影响发酵及成品质量。同时，利用木薯作为生产燃料酒精的原材料还有极大地成本优势，相关数据显示1吨木薯酒精原料成本为2600元/吨左右，1吨蔗糖酒精原料成本为3500元/吨左右，而1吨玉米酒精需成本达到了4000多元/吨。而且以木薯生产酒精，每亩土地可得到的酒精量是玉米、稻米的两倍。为更进一步推进“非粮”原料生产燃料乙醇产业化发展；同时也为更好的促进对我国木薯价值的开发利用，增加农民收入，推进农业的进步，将木薯作为我国生产燃料酒精的主要非粮原材料，不失为一项明智的选择。1.2 设计指导思想和
9、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，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。1.3 设计依据1.3.1设计课题年产2万吨木薯燃料酒精生产工艺的初步设计酒精发酵工艺初步设计 （海南大学生物工程课程内容任务书）1.3.2 设计条件生产能力：年产2万吨99.5%酒精含量燃
10、料乙醇原料：木薯（海南产）糖化而来的糖化醪液 生产方法: 双酶糖化、间歇发酵生产技术 生产时间：全年生产300天（24小时），连续操作工厂厂址：海口郊区厂址地域与自然条件：当地气候条件（来自海南气象台资料）：温度 高温39 最低温度6 平均温度23.8湿度 最高湿度92% 平均湿度85% 水温 河水（1米） 最高30 最低10 自来（饮用）水 最高30 最低10 深井水 平均18 风频率 年平均风速：3.3m/s 降水量 年平均：1691ml/a 风向 东北风和东风产品：根据GB183502001要求，生产含酒精含量99.5%的成品。2 生产工艺流程选择和论证2.1 燃料酒精生产流程（附图2）
11、2.2 酒精发酵工艺流程 2.2.1酒精发酵的要求（1）在发酵前期，要创造条件，让酵母菌迅速繁殖，并占据绝对统治地位。（2）保持一定量的糖化酶活力，使糖化醪中糊化了的淀粉继续被分解，生成可发酵性糖，即要保持后糖化的继续进行。（3）发酵过程的中期和后期，要造成厌气条件，使酵母在无氧条件下进行糖的酒精发酵。（4）要搞好杂菌污染的防止工作，避免因此中造成的损失。（5）要采取必要的措施，提高酒精发酵强度，降低酒精厂的造价和酒精的生产成本。（6）注意回收二氧化碳及其夹带的酒精，二氧化碳应进一步利用。2.2.2 酒精发酵机理 酒精酵母进入糖化醪后，糖分被酵母细胞所吸收，并渗入细胞内，经过酵母细胞内酒化酶系
12、统的作用，最终生成酒精、和能量，一部分能量被酵母细胞用作新陈代谢的能源，余下的部分和酒精及一起，通过细胞膜排除体外。酵母菌就是以这种方式进行烫的酒精发酵的。 酒精从细胞膜渗出后很快就渗透到周围介质中去了，因为酒精可以任何比例与水混合。这样，酵母细胞周围的酒精浓度并不比醪液中的高。也会在液体中。但是很快就达到饱和状态。此后产生的就吸附在细胞表面，直至超过细胞重力的时候，气泡就带着细胞上浮，直至气泡破裂，释入空中，细胞留在醪中慢慢下沉。由于的上升，带动了醪液中酵母细胞的上下游动，使酵母细胞更能充分的与醪液中的糖分接触，发酵作用更充分和彻底。 在发酵后期，醪液中的糖分含量降低到一定水平以下，而液体中
13、的已经饱和，这时，不再能排除细胞，因而对发酵形成阻碍。在这种情况下，为了使得以释放，必须使它和某种表面接触。与表面接触后易于释放的原因在于它的电荷。和其他液体中的气体一样是带负电荷的，当它和带负电的发酵罐表面接触时，因为电荷的排斥力，使无法在管壁停留二溢出。所以，容易沿管壁溢出。 随着的上升，不仅带动了酵母细胞，也使固形物一起上浮，有时也能使底层的物料持久的浮在醪液表面，这种类型的发酵称为被盖式发酵。如果发酵醪较粘稠，气泡到达页面后并不破裂，逐渐形成持久不散的泡沫。严重是，泡沫会从罐顶溢出，造成可发酵性物质损失，这种类型的发酵称为泡沫型发酵。被盖型和泡沫型发酵都是不理想的发酵类型。2.2.3酒
14、精发酵工艺流程选择 酒精发酵是属于厌气性发酵，在发酵过程中进行无氧呼吸，在此过程中，发生着复杂的生物化学变化，既有糖化醪中淀粉和糊精继续被淀粉酶水解生成糖，也有蛋白质在曲霉蛋白酶水解下生成肽和氨基酸。这些物质一部分被酵母吸收合成菌体细胞，另一部分则被发酵，生成酒精和CO2。 酒精发酵的方式分为间歇式、半连续式和连续式三种。 间歇发酵：指全部发酵过程始终在同一个发酵罐内进行的发酵方式。其优点是操作简单，易于管理，不会大面积感染杂菌。缺点是酒母用量大，非生产性时间长，设备利用率低。 连续发酵：指把发酵的不同阶段的分别放入发酵罐内进行发酵的方式。由于糖液是一直连续不断地流加，故每个发酵罐内的流量、醪液浓度、酒精浓度、酵母细胞数以及温度、pH值等均相应稳定，有利于酵母的生长繁殖。优点是可以提高设备利用率，节省酒母，便于自动化控制，缺点是对无菌条件要求严格。半连续发酵：介于间歇发酵和连续发酵之间的一种发酵方式。指主酵
