毕业设计---发酵法年产5万吨乙醇的工艺设计(3)

双浓度双流加连续发酵法。该法是使用两种不同的糖液，即酒母稀糖液和发酵稀糖液（基本稀糖液）进行双流加以实现连续发酵流程。一般对质量好、纯度高的糖蜜采用单浓度单流加连续发酵与双浓度双流加发酵法均可，单对纯度低、质量差的糖蜜不宜采用单浓度单流加发酵法而应当采用双浓度双流加连续发酵法。双浓度双流加连续发酵法中，低浓度糖液（酒母糖液）与高浓度糖液（发酵糖液）流加液比通常为1:1，而六角糖比例为优质糖蜜4:6，劣质糖蜜3:7[5]。

3）纤维质原料的发酵工艺

纤维质原料的乙醇发酵工艺根据原料处理方法的不同可分为酸水解乙醇发酵工艺和酶水解发酵工艺。

①酸水解乙醇发酵工艺

浓酸水解工艺流程。浓酸水解工艺流程如图1.1使用浓度为70%左右硫酸，在100℃温度条件下处理木质纤维素，破坏纤维素之间的晶型结构，使其水解为流动的不定形物质，这一过程也成为纤维素的溶解和去结晶。纤维素成为不定形位置后，加水将酸的浓度稀释到20%—30%，并在100℃温度下维持约1h，使半纤维素部分水解，固液分离后得到残渣和水解物，残渣可以二次加酸，是纤维素最大限度降解。再次进行固液分离。最后得到残渣主要成分是难简介的木质素，木质素可以进一步利用。固液分离得到的水解产物在发酵前必须进行糖酸分离，分离得到的稀酸可以进入蒸发系统浓缩后循环使用，得到的糖液中进入发酵阶段[7]。

原料粉碎浓酸浓酸预处理半纤维素水解固液分离纤维素水解稀酸浓缩水解液糖酸分离固液分离木质素利用水解液中和乙醇发酵图1.1 纤维素浓酸水解工艺流程

稀酸连续渗滤水解工艺流程。该流程用固体生物质原料填充在反应器中酸液连续通过的反应工式。前苏联的水解工艺主要采用这种形式。它的主要优点有：生成的糖可即使排出，减少糖的分解；可在较低的液固比下操作，提高所得糖的浓度；液体通过分离器内的过滤管流出，液固分离自然完成，不必用其他液固分离设备，反应器容易控制。工艺流程：木材经粉碎后，由带式输送器填入水解器中，水解后剩下的木质素通过排渣器排出器外。水解用酸从储罐经计算器用往复泵送人水解器。水解液从水解反应器流出后，接连通过高压蒸发器和低压蒸发器，在高压蒸发器中水解液175-180℃降至140-150℃。在低压蒸发器中进一步降到105-110℃，水解液最后送往中和器。

稀酸二级水解工艺流程。该工艺流程中，纤维质原料共进行两次水解。原料经粉碎后和酸浸泡后进入第一级水解反应器，反应器的温度升到190℃，用0.7%的硫酸水解，停留时间3min，可把约20%的纤维素和80%的反纤维素水解。离开以及反应器的水解液经液固分离后，糖液进入pH调节器。固形物经螺旋压榨器脱水后进入二级水解器中，治理温度升到220℃，用1.6%的硫酸水解，停留时间为3min，可把剩余的纤维素水解为葡萄糖。水解液混合后，经酸碱中和，可进入发酵阶段。

②酶水解乙醇发酵工艺 纤维素水解乙醇生产工艺可分为非同步水解与发酵工艺和同步水解与发酵工艺两类。分别简单介绍如下。

非同步水解与发酵工艺（Separate hydrolysis and fermentation ,SHF）。本工艺特点是纤维素水解和水解液乙醇发酵是分别在不同容器内单独进行的[8]。早期的纤维质原料都是采用这种工艺。工艺流程

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如图1.2所示

原料粉碎一级稀酸水解二级稀酸水解固液分离固液分离木质素利用水解液糖酸分离水解液中和酒精发酵图1.2 稀酸二级水解工艺流程

同步水解与发酵工艺(Simulataneous saccharification and fermentation,SSF)。随着对纤维素酶水解机理的不断认识，20世纪70年代，人们提出了SSF水解工艺。该工艺可以解决葡萄糖的反馈抑制作用，如果选用适当的酵母，纤维二糖也能够利用。因此该工艺可以提高水解速度，糖的产量和乙醇得率也将增加。目前，SSF已成为很有前途的生物质制乙醇的工艺。工艺流程如图1.3所示

原料粉碎原料粉碎水解液中和水解液中和原料粉碎

图1.3 纤维质原料同步水解与发酵工艺

在一般的SSF工艺中，预处理生产富含五碳糖的液体是单独发酵的。随着能同时发酵葡萄糖和木糖的新型微生物的开发和应用，又发展了同步水解发酵工艺（Simultaneous saccharification and co-fermentation,SSCF）。该工艺中预处理得到的糖液和处理过的纤维素放在同一个反应器中处理，进一

[9]

步简化了流程。

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2 建厂可行性分析

2.1 需求和拟建规模 2.1.1原料简介

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。木薯已被世界公认具有很大发展潜力、很有前途的乙醇生产的可再生资源。近年来，随着木薯原料用于生产乙醇逐渐受到人们的重视，国内外学者都致力于木薯生产乙醇工艺的研究。 2.1.2木薯原料的优势

国外研究机构比较过一些作物发酵法生产乙醇的产出率，在几种主要的乙醇原料作物中，单位面积土地的乙醇产出率以木薯最高，甘蔗次之。

木薯是取代玉米等原料生产乙醇的理想替代物，开发木薯乙醇资源前景看好。在同样土地资源条件下，种植木薯可比种植玉米多产近2倍乙醇。利用木薯进行乙醇生产，整株作物无废料，利用效率很高。

大型木薯乙醇厂的固定资产投入与销售收入之比为1：5，建设周期短，投放少，投资回收快，效益高。另外，现有糖厂用糖蜜生产乙醇的闲置设备经改造后即可用于木薯乙醇加工。 2.1.3乙醇市场分析

乙醇工业在国民经济中占重要的地位，乙醇广泛应用于酿酒行业、化工行业、橡胶工业、油漆涂料工业、电子工业、照相胶片及纸浆生产行业、医药行业、香料工业、化妆品行业等。最具发展前景的是，随着石油等不可再生能源日趋紧张，乙醇作为一种可以再生的能源—车用乙醇汽油的大面积推广，乙醇工业在世界经济的地位将越来越重要[10]。 2.2主要建设条件

本厂采用本地电网供电，可以避免为建设动力设备而增加的额外投资，而且陕南水电资源丰富，可以确保生产的连续性。

本设计采用发酵法制取乙醇，并将酒糟水解重新利用，酒糟过滤除杂后，用粗制复合酶重新水解，作为营养液加入到拌料罐重新回收发酵，进行再生产，环境污染小，资源得到了合理的利用，经济上也是可行的。

总之，本设计无论从原材料、动力供应，还是从交通运输等方面考虑，拟建厂址所在地都比较合适。再者，从厂址所在地的经济发展、自然条件的利用都符合我国的国情和西部大开发这一主题。 2.3 环境保护及废物处理

随着世界特别是我国环境的明显恶化，国民的环境保护意识逐步提高，为了我们生存环境，为了我们自己，为了我们的子孙后代，必须保护环境。

废水处理是发酵工业一直头疼的问题，这不仅增加了生产成本，甚至有时处理不好还会造成环境污染。酒糟不仅含有酵母没有利用完全的还原糖，而且含有不少糖化过程残留的大量残余总糖，甚至含有大量酵母生长所必需的营养物质。目前几乎所有的发酵行业对酒糟只是简单进行了沼气生产或转化为廉价的肥料，甚至有的直接排放，造成了极大的浪费，处理不好还会对环境造成污染。可以对酒糟水解重新利用，酒糟过滤除杂后，用粗制复合酶重新水解，作为营养液加入到拌料罐重新回收发酵，进行再生产，不仅可提高原料的利用率，降低生产成本，而且还可节约水资源和能源，提高其经济效益。

对污染源、废水、废气、废渣、噪音粉尘烟等的具体防止和处理方法主要依据《环境保护法》及相应的可行性研究、环保报告和初审意见来确定。 2.4 企业组织管理

拟建厂有厂部领导及其下属的科室和车间组成，技术人员主要从离校毕业生和相关企业的有工作经验人员中招聘，劳动工人从本地区招收。普通工人的技能由本厂技工带领培训。企业内部按照有利于发展生产，有利于充分利用人力资源、术、装备、资金，有利于宏观调控微观搞活，有利于

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调动各个方面的积极性，有利于提高经济效益的原则，在划小核算单位的基础上下放权利，实行分级分权管理。 2.5 资金筹措方式

采用部分国家贷款，部分自筹资金和部分银行贷款分期偿还方式，而且筹集资金可以采用职工入股的方式，使职工真正成为企业的主人，充分调动职工的积极性。

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3 乙醇发酵工艺

本设计选用淀粉质原料发酵乙醇。淀粉质原料包括薯类原料（甘薯、马铃薯、木薯、等）。目前，国内主要使用的原料有甘薯、木薯、小麦、玉米和高粱。

最初，我国的乙醇生产主要用玉米、小麦等粮食发酵制得，其中主要以玉米为主。随着陈化粮食逐步消耗殆尽和玉米价格节节攀升，考虑到玉米生物乙醇的发展可能威胁到国家的粮食安全，为此，2006年起国家停止新批玉米燃料乙醇企业，并大力鼓励发展非粮食作物为原料开发燃料乙醇。从2006年至今，在保证现有的粮食乙醇生产的基础上，我国燃料乙醇生产企业的发展主要是两个方向：一是木薯乙醇；二是纤维素乙醇。两者都属于非粮食作物，其中，木薯乙醇已处于规模化生产阶段，技术发展已相对完善；而纤维素乙醇在我国还处在试验阶段，技术还有待完善。

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，不仅产量高，淀粉含量也很高，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”[11]。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研究。

本设计选用木薯为原料发酵制的乙醇，总工艺流程为：

原料——粉碎——拌料——蒸煮——糖化——发酵——蒸馏——乙醇 3.1木薯的处理

木薯原料在进行正式生产之前，必须预处理，以保证生产的正常进行和提高生产的效益，预处理包括除杂和粉碎两个工序。 3.1.1原料除杂

木薯在收获和干燥过程中，经常会掺夹进泥土、沙石、粗纤维、金属杂质等杂质，这些杂质如果没有在正式投入生产之前清除，会严重影响后续生产的正常进行。石块和金属杂质会使粉碎机的筛板磨损或者损坏，造成生产的中断；机械设备运转部位，会因泥沙的存在而加速磨损，杂物还易造成堵塞阀门、管道、泵和关键设备，使生产过程不能正常进行，泥沙等杂质也会影响正常的发酵过程。所以用木薯原料生产酒精前，必需进行除杂，以保证生产的正常进行和提高生产的效益。

原料除杂通常采用筛选和磁选。筛选多选用振动筛除去原料中的较大杂质及泥沙。振动筛是一种平面筛，常用的有两种：一种是由金属丝（或其他丝线）编织而成的；另一种是冲孔的金属板。开孔率越大，筛选效率越高，但开孔率过大会影响筛子的强度[12]。本设计选用冲孔的金属板，筛板开孔率为50%，筛宽1000mm，振幅5mm，频率400次/min

其生产能力

G?3600B0hVcp?? =3600?0.95?1?0.2?0.4?0.5?0.79 =108.072tB0——筛面有效宽度，m；

H——筛面物料厚度，m，取h?(1~2)d（d为物料最大直径）；

Vcp——物料沿筛面运动的平均速度，m/s，取0.4m/s； ?——物料松散系数，取0.5； ?——物料的密度，kg/m3。

磁选多选用磁力除铁器除去原物料中的磁选杂质，如铁定和螺母等，常见设备为永久性磁力除铁器和电磁除铁器[9]。 3.1.2原料粉碎

淀粉质原料的淀粉颗粒常以颗粒状态储存于细胞之中，由于受到植物组织的细胞壁的保护不宜被直接利用[13]。所以原料粉碎是原料处理的关键步骤之一。木薯原料粉碎可以使原料的颗粒变小，原料的细胞组织部分破坏，淀粉颗粒部分外泄，增加原料的表面积，在进行水热处理时，加快原料吸水速度，降低水热处理温度，节约水热处理蒸汽；有利于α-淀粉酶与原料中淀粉分子的充分接触，促使其水解彻底，速度加快，提高淀粉的转化率；有利于物料在生产过程中的输送。原料的粉碎按带水与否可分为：干式粉碎和湿式粉碎，实际生产中多采用干式粉碎。国内乙醇生产原料粉碎设备主要是锤片式粉碎机，合理的干式粉碎应采用粗碎和细碎两级粉碎工艺，在进入锤碎机前先经过粗

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