毕业设计（论文）产10万吨纤维质原料酒精发酵工艺流程设计.doc

目录1.总论31.1概述31.1.1纤维质的概述31.1.2乙醇的概述61.1.3酒精发酵工艺81.1.4纤维质酒精发酵现状81.1.5市场需求81.2设计的目的和意义91.2.1设计的目的91.2.2设计的意义91.3项目设计依据和原则101.3.1设计依据101.3.2设计原则101.4设计范围101.5乙醇生产能力及产品质量标准101.5.1生产能力101.5.2产品质量标准102.生产方案选择112.1生产方法112.1.1酸水解122.1.2酶水解122.2生产方案确定143.1.1纤维素发酵乙醇工艺概述153.2生产工艺流程说明153.2.1 预处理工序153.2.4 蒸馏工序11224.工艺计算244.1物料衡算244.1.1 年产量为10万吨燃料酒精的总物料衡算244.1.2原料消耗量计算（基准：1吨无水乙醇）254.1.2 发酵醪量的计算254.1.3成品与废醪量的计算264.2 酒精生产各工段物料和能量衡算274.2.1 预处理工段274.2.3发酵工序294.2.4蒸馏工序294.3 供水、电以及其他衡算334.3.1.1水衡算334.3.2.其他衡算355. 设备选型及计算355.1预处理设备355.1.1调浆桶355.1.2蒸煮罐个数计算365.1.3蒸煮罐的轮廓尺寸计算18365.2水解罐的计算375.2.1水解罐体积375.2.2水解罐数量375.3发酵设备设计385.3.1发酵罐容积和个数的确定385.3.2冷却面积和冷却装置主要结构尺寸395.3.3发酵罐壁厚415.3.4进出口管径21425.3.4其他罐体设备435.5其他设备435.5.1蒸馏设备11、18、22435.5.2换热器的选型446.车间设计446.1发酵设备446.2蒸馏设备及其他设备447.厂址选择及厂区总平面设计457.1厂址选择457.1.1厂址选择的原则和指导思想16457.1.2厂址选择及其依据457.2厂区总平面设计467.2.1工厂概况467.2.2主要设计构思467.2.3占地面积的确定477.2.4平面布置原则的指导思想478.设计评析与总结47致谢48参考文献491.总论1.1概述1.1.1纤维质的概述纤维质在自然界中是最为丰富的生物质资源，其能量来自于太阳，植物通过光合作用固定后贮存于植物细胞壁，其主要有机成分有纤维素、半纤维素、木质素三部分。细胞壁中的半纤维素与木质素利用共价键联结成网络结构，纤维素则镶嵌在其中1。 1.1.1.1纤维素的结构与性质纤维素是一种天然高分子化合物，是葡萄糖分子通过-1,4-糖苷键连接而形成的葡聚糖，是植物细胞壁的主要成分。纤维素由含碳、和氧三种元素组成，化学式：(C6H10O) n，相对分子质量可达几十万，甚至几百万1。 纤维素性质稳定，不溶于水，无还原性，在常温下不发生水解，在高温下水解也很慢。只有在催化剂（如纤维素酶）存在下，纤维素的水解反应才能显著地进行。纤维素经催化剂催化水解可生成葡萄糖，该反应可表示为： (C6H10O) n + n H2O = n C6H12O6水解得到的葡萄糖在酵母的催化作用下可发酵生成酒精，经过蒸馏工艺可得到酒精产品，由于其原料来源广泛求价格低廉，因此，有很好的经济效益。1.溶解性 常温下，纤维素既不溶于水，又不溶于一般的有机溶剂，如酒精、乙醚、丙酮、苯等。它也不溶于稀碱溶液中。因此，在常温下，它是比较稳定的，这是因为纤维素分子之间存在氢键。 2纤维素水解 在一定条件下，纤维素与水发生反应。反应时氧桥断裂，同时水分子加入，纤维素由长链分子变成短链分子，直至氧桥全部断裂，变成葡萄糖。 3纤维素氧化 纤维素与氧化剂发生化学反应，生成一系列与原来纤维素结构不同的物质，这样的反应过程，成为纤维素氧化。（引自郭莉珠档案保护技术）纤维素大分子的基环是D-葡萄糖以-1，4糖苷键组成的大分子多糖，分子量约500002500000，相当于30015000个葡萄糖基脱水葡萄糖，其分子式为：（C6H10O5）n， 其化学组成含碳44.44%、氢6.17%、氧49.39%。由于来源的不同，纤维素分子中葡萄糖残基的数目，即聚合度（DP）在很宽的范围。分子式可写作（C6H10O5）n。是维管束植物、地衣植物以及一部分藻类细胞壁的主要成分。醋酸菌（Acetobaeter）的荚膜，以及尾索类动物的被囊中也发现有纤维素的存在，棉的种子毛是高纯度（98%的纤维素。所谓-纤维素（cellulose）这一名称系指从原来细胞壁的完全纤维素标准样品用17.5%NaOH不能提取的部分。-纤维素（-cellulose）、-纤维素（-cellulose）是相应于半纤维素的纤维素。虽然，-纤维素通常大部分是结晶性纤维素，-纤维素，-纤维素在化学上除含有纤维素以外，还含有各种多糖类。细胞壁的纤维素形成微纤维。宽度为1030毫微米，长度有的达数微米。应用X线衍射和负染色法（negative染色法），根据电子显微镜观察，链状分子平行排列的结晶性部分组成宽为34毫微米的基本微纤维。推测这些基本微纤维集合起来就构成了微纤维。纤维素能溶于Schwitzer试剂或浓硫酸。虽然不易用酸水解，但是稀酸或纤维素酶可使纤维素生成D-葡萄糖、纤维二糖和寡糖。在醋酸菌中有从UDP葡萄糖引子（primer）转移糖苷合成纤维素的酶（cellulose synthase（UDPformingEC24112）。在高等植物中已得到具有同样活性的颗粒性酶的标准样品。此酶通常是利用GDP葡萄糖（cellulose synthase（GDP forming） EC24129），在由UDP葡萄糖转移的情况下，发生1，3键的混合。微纤维的形成场所和控制纤维素排列的机制还不太明瞭。另一方面就纤维素的分解而言，估计在初生细胞壁伸展生长时，微纤维的一部分由于纤维素酶的作用而被分解，成为可溶性。 纤维素不溶于水和乙醇、乙醚等有机溶剂，能溶于铜氨Cu(NH3）4（OH）2溶液和铜乙二胺NH2CH2CH2NH2Cu（OH）2溶液等。水可使纤维素发生有限溶胀，某些酸、碱和盐的水溶液可渗入纤维结晶区，产生无限溶胀，使纤维素溶解。纤维素加热到约150时不发生显著变化 ，超过这温度会由于脱水而逐渐焦化。纤维素与较浓的无机酸起水解作用生成葡萄糖等，与较浓的苛性碱溶液作用生成碱纤维素，与强氧化剂作用生成氧化纤维素。 4柔顺性 纤维素柔顺性很差，是刚性的，因为（1）它分子有极性，分子链之间相互作用力很强；（2）纤维素中的六元吡喃环结构致使内旋转困难；（3）其分子内和分子间都能形成氢键特别是分子内氢键致使糖苷键不能旋转从而使其刚性大大增加。编辑本段制法纤维素的实验室制法是先用水、有机溶剂处理植物原料，再用氯、亚氯酸盐、二氧化氯、过乙酸去除其中所含的木素，得到纤维素和半纤维素，然后采用各种方法除去半纤维素 ，制得纯纤维素。工业制法是用亚硫酸盐溶液或碱溶液蒸煮植物原料，除去木素，然后经过漂白进一步除去残留木素，所得漂白浆可用于造纸。1.1.1.2半纤维素的结构与性质 半纤维素是一种复杂的多糖分子，以通过 -1,4-糖苷键的连接方式，还可以由不同的单糖基以不同的连接方式连接成结构互不相同的多种结构的各种聚糖，既可能形成是均一聚糖也可能形成非均一聚糖。半纤维素相对于纤维素更易于水解，有些半纤维素的成分甚至在冷水中的溶解度很大。半纤维素可溶于碱溶液中，也能被稀酸在 100 以下水解，同时还能被相应的各种半纤维素酶分解2。半纤维素中木聚糖的水解过程可表示为： (C5H8O4) n + n H2O = n C5H10O5 ，半纤维素水解得到的木糖也可在催化剂的催化作用下发酵生成酒精，但是，催化条件与葡萄糖有很大的不同，且其催化工艺目前发展还不是很成熟，因此，不能同时进行发酵。但可以被利用发酵沼气，也可形成一定的经济效益。1.1.1.3 木质素的结构与性质 木质素是一类复杂的无定形高聚物，由苯丙烷单元通过醚键和 C-C 键连接形成的，其主要单体为香豆醇（coumaryl alcohol）、松柏醇（coniferyl alcohol）和芥子醇（sinapyl alcohol）3。木质素和半纤维素作为细胞间质在细胞壁的微细纤维之间能起到很好的填充作用，同时加固木化组织的细胞壁，也存在于细胞间质，把相邻的细胞黏结在一起，有阻止微生物攻击和增加茎杆抗压强度的作用。木质素并非聚糖，不能被水解为单糖，其分子式为(C6H10O2) n 。另外木质素在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解。1.1.2乙醇的概述乙醇俗称酒精，是一种可再生,并且清洁、无污染的能源。乙醇作为重要化工原料，以可再生的农产品为生产原料，不但可制造乙烯，代替石油生产石油化工产品，支撑“后石油时代”的石化工业，而且可以代替石油产品用作燃料，并同时呈现出比石油产品更安全、清洁、高效、可持续的四大特征。乙醇的用途可以分为燃料酒精、工业酒精和食用酒精三大类，目前世界上酒精的主要用途是用于燃料。乙醇是燃料酒精中最主要的能源物质之一，它以玉米、薯类、小麦、糖蜜或植物等为原料，经发酵 、蒸馏而制成，将乙醇进一步脱水再经过不同形式的变性处理后成为变性燃料乙醇。燃料乙醇也就是用粮食或植物生产的可加入汽油中的品质改善剂。它不是一般的酒精，而是它的深加工产品。在这种燃料中，乙醇既是一种能源，又是一种良好的汽油增氧剂和高辛烷值调和组分，用以代替四乙基铅和MTBE。目前，世界上使乙醇汽油时间最长，成效最大的国家，属巴西和美国。1.1.2.1乙醇的结构与性质理化常数密度：0.78945 g/cm3; (液) 20°C 熔点：-114.3 °C (158.8 K) 沸点：78.4 °C (351.6 K) 在水中溶解时：p乙醇 乙醇Ka =15.9 黏度：1.200 mPa·s (cP)， 20.0 °C 分子偶极矩：5.64 fC·fm (1.69 D) (气) 折光率：1.3614 相对密度(水=1)： 0.79 相对蒸气密度(空气=1)： 1.59 饱和蒸气压(kPa)： 5.33(19) 燃烧热(kJ/mol)： 1365.5 临界温度()： 243.1 临界压力(MPa)： 6.38 辛醇/水分配系数的对数值： 0.32 闪点()： 12 引燃温度()： 363 爆炸上限%(V/V)： 19.0 爆炸下限%(V/V)： 3.3 溶解性： 与水混溶，可混溶于醚、氯仿、甘油等多数有机溶剂。 电离性：非电解质 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。提纯方法75%的乙醇可以用蒸馏的方法蒸馏到95.5%，此后形成恒沸物，不能提高纯度。 95%的乙醇可以用生石灰煮沸回流提纯到99.5%。 99.5%的乙醇可以用镁条煮沸回流制得99.9%的乙醇。1.1.3酒精发酵工艺酒精发酵工艺可根据其原料的不同分为：淀粉质酒精发酵、糖类酒精发酵、纤维质酒精发酵、其他原料发酵四种。从整个流程来讲，酒精发酵流程大致可分为四部分：原料预处理、原料水解制单糖、单糖发酵酒精、发酵产物蒸馏。生产燃料乙醇的原料来源较广，但目前已产业化的用于生产燃料乙醇的原料基本上属于粮食作物、淀粉基作物及糖料作物。但是这些原料基本上都存在“与民争粮，与粮争地”的问题，长期发展，将危及粮食安全。纤维质原料中富含纤维素和半纤维素，可降解成可发酵的葡萄糖和木糖等，而且在地球上储量极其丰富，有望成为生产燃料乙醇的新一代原料。而与化石燃料和粮食乙醇相比较，也只有纤维质燃料乙醇才能够达到大量减少温室气体排放的目的。因此，近年来全球发达国家都将利用农作物秸秆纤维质转化成燃料乙醇的研究作为研发重点，开发第二代燃料乙醇纤维质乙醇。1.1.4纤维质酒精发酵现状迄今为止，我国学术界和产业界在纤维素乙醇发酵技术开发和工业化进程上已经做出了很多努力，在具体的技术细节和工艺选择上呈现多样性特点。总体上，我国纤维素发酵乙醇工艺技术研发方面，其研究工作已经完成实验室研究阶段，正在步入中试和产业化培训阶段。目前，国内已开展的纤维素发酵乙醇项目大多数处于中试或示范阶段，与国外的发展阶段基本一致。同时与国外相比，我国在纤维素发酵乙醇技术研发的工艺选择上相对集中，已取得中试和示范规模的项目选用生物转化技术路线，即预处理-酶催化水解-发酵工艺。对其他工艺，如气化微生物发酵、集成生物过程（CBP）、热化学转化等关注度不高。1.1.5市场需求在我国，河南天冠酒精化工集团有限公司作为“十五”期间国家发改委确定的全国4家燃料乙醇定点生产企业之一，目前已掌握着秸秆生产乙醇的关键技术。中试结果显示，6吨左右秸秆可产出1吨乙醇，技术理论转化率超过18%。据测算，全国每年仅农作物秸秆有7亿吨，其中2亿吨被作为农村燃料消耗。若将其余5亿吨用来生产乙醇，可产7000万吨乙醇。再加上木材、制糖、造纸工业下脚料和城市废纤维垃圾，总计可得乙醇8500万吨，比全国汽油消耗总量还要多。纤维乙醇技术一举三得，首先，纤维原料可再生，用它生产燃料乙醇可缓解能源危机;其次，企业可接受的价格，每吨秸秆可直接为农民增加200元收入，按平均每户4人5亩地计算，一年可净增收1500元；同时，木质素热值和等量的煤相当，粗木质素可以加工成“煤球”，纯度稍高的可做成活性炭，每吨市场价在五千元左右，而经精制的高纯度木质素则可作为添加剂用于改善聚氨酯产品的综合性能，每吨售价也在6000-10000元，生产酒精后产生的废糟液发酵处理，生产沼气，供居民生活使用。生产沼气后，剩余的糟液残渣又能加工成动物饲料或制成“绿色”沼渣肥，用于农业建设。1.2设计的目的和意义1.2.1设计的目的生产纤维质酒精以满足日益增长的市场需求同时获得很好的经济收益。通过毕业设计熟悉纤维质原料酒精生产过程和一些工程技术问题的解决方式，培养独立查找、分析和使用技术资料的能力，能独立编写设计文件1.2.2设计的意义（1）满足各行各业产品需求。（2）可以长远解决公司的生存问题，并且为当地提供更多的就业机会，促进区域经济的发展。（3）做到了真正意义上的绿色产业。（4）有利于国家产业结构的调整，保持国民经济的可持续发展。1.3项目设计依据和原则1.3.1设计依据海南大学2012年化工工艺课程设计课题年产10万吨纤维质原料酒精发酵生产工艺流程设计任务书，见附件。1.3.2设计原则（1）按技术先进、成熟可靠、经济合理的原则对技术方案进行论证，以确定最佳方案；（2）尽可能采用节能工艺和高效设备，充分发挥规模效应，降低能耗、物耗和生产成本，提高项目的经济效益和社会效益；（3）主体工程与环境保护、劳动安全和工业卫生同时考虑，以减少“三废”排放，加强废渣治理，确保安全生产，消除并尽可能减小工厂生产对化境的不良影响和对工厂职工以及周边地区居民健康的危害。1.4设计范围本设计的主要内容：（1）生产方案选择（2）工艺流程设计与论证（3）工艺原理与操作条件说明（4）工艺计算物料衡算与热量衡算（5）生产主要设备设计计算与选型（6）生产车间设备配置与布置设计（7）编写项目设计说明书（8）工程设计绘图 带控制点的工艺流程图车间布置平面、立面图、工厂总体平面布置图（可略）设计重点：工艺流程设计与论证、工艺原理说明和工艺计算1.5乙醇生产能力及产品质量标准1.5.1生产能力年产100000吨纤维质原料酒精，年工作日为300天，全天候连续生产。1.5.2产品质量标准本产品为纤维质原料酒精，质量规格为一等品，执行国家GB/T394.1-94标准，具体指标见下表1-1。 纤维质原料酒精质量标准GB/T394.1-94项 目指 标优等品 一等品外观气味无色透明液体无异味无色透明液体无异味乙醇（20）%（V/V）96.095.5硫酸试验号 1080氧化试验，分 3015醛（以乙醛计）g/100mL 0.0005 0.003杂醇油（以异丁醇异戊醇计）g/100mL0.001 0.008甲醇g/100mL0.08 0.12酸（以乙酸计）g/100mL 0.003 0.004酯（以乙酸乙酯计）g/100mL0.003 0.004不发挥物g/100mL 0.002 0.0025表12 发酵醪的成熟标准项 目连 续 发 酵镜检酵母形态正常无杂菌外观精度/°Bx0.5以下还原糖/%0.3以下带渣总糖/%1以下滤液总糖/%0.7以下乙醇含量（体积分数）/%810总酸总酸不超过0.5挥发酸0.10.152.生产方案选择2.1生产方法将纤维素生物质转化为燃料酒精，可以降低传统以粮食为原料的酒精发酵工业的成本，充分利用这种数量巨大的可再生资源。纤维素酶将预处理的纤维质原料降解为酵母可直接利用的D-葡萄糖，转化为酒精。对纤维质原料制酒精的研究主要有原材料的预处理、如何降低纤维素酶的成本、发酵过程的优化、菌种的合理运用和改造、酒精废糟的综合利用。纤维素发酵酒精工艺分为酸水解工艺和酶水解工艺两种流程.2.1.1酸水解酸水解可以分为稀酸水解和浓酸水解，可以在较温和的条件下进行。稀酸水解可以将半纤维素转化为单元糖，原料中的重金属被稀酸溶解，然后以氢氧化物的形式沉淀，最后和石膏一起被过滤掉。稀酸水解糖的转化率只能达到50%，其水解过程中产生一种络合物，是大多数微生物的抑制剂。浓酸水解约有90%的纤维素和半纤维素转化的糖被回收，但是浓酸水解中的酸难以回收。酸水解纤维素类物质早在19世纪末就有研究，但是迄今进展不大。传统处理途径是用石灰中和水解液，以调节PH值达到发酵生产要求。1987年，I.adisch等提出用离子排斥法（LE）分离水解液中酸和糖的方法，据Nanguneri等在1990年的估算，该法比传统的石灰中和法经济。1998年Wooley等又提出了9段模拟移动床LE分离酸液和糖液的方法，据称不但能有效地分离硫酸和糖液，还能把水解副产物醋酸去除，已知后者是影响发酵的主要有害物质。酸水解过程中还要求容器是防腐蚀、耐酸、耐压的，容器体积也较大。另外，酸解常会伴随生成有毒产物乳糖醛、酚类等物质，需要改善工艺，减少这些物质的产生。2.1.2酶水解现在所使用的纤维素酶都是由真菌产生的。纤维素酶的研究首先着眼于厌气性分解菌，由于这些细菌一般不分泌胞外酶，产能低，多数对结晶纤维素没活性。接着又有人提出使用好气性分解菌，如李氏木霉，后来又分离到酶活性相似的正青霉和能分解棉花的疣孢青霉。由于酶具有底物高度专一性，所以产率很高，而且副产物很少，所以对于进一步的乙醇发酵减轻了提纯的工作量。但是，酶的成本较高，纤维素的酶解又需要大量的酶，在实际应用过程中对之加以有效地回收利用是必要的措施，研究较多的是采用超滤膜回收技术。另外，通过对微生物菌株的选择、诱变，以挑选能够增加酶的产率和提高酶的活性的突变株，达到降低酶用量的目的。工业化酒精发酵需要必需的营养成分量巨大，因此，降低营养物质的成本，寻求廉价资源是研究的方向。2.1.2.1纤维素直接发酵生产乙醇厌氧性的热纤梭菌（ Clostridium themocellum ）能直接将纤维素转化为乙醇。因为其细胞壁表面分布有不连续的包含有纤维素酶系的纤维素体 （ Cellulosome ），这些纤维素体与纤维素相黏附，然后纤维素酶系逐步将纤维素分解为可溶性糖类，吸收入细胞进一步利用，转化为乙醇。然而，其纤维素水解成糖的比率一般仅有 10%20% 。这表明直接将纤维素转化为乙醇在理论上是可行的，但在实际工业化过程中如何提高乙醇的转化效率仍有许多问题有待解决。现已研究出利用混合菌直接发酵等技术来提高乙醇转化率，可见其前景是相当广阔的。2.1.2.2木糖发酵生产乙醇最有工业应用前景的木糖发酵产乙醇的微生物共有3种酵母菌种即管囊酵母（Pachysolen tannophilus）、树干毕赤酵母（Pichia stipits）和休哈塔假丝酵母（Candida shechatae）。这些菌属对木糖代谢的途径见下图：2.1.2.3纤维素间接发酵生产乙醇主要过程是：利用产纤维素酶的微生物或纤维素酶先将纤维素糖化，变成发酵性糖，再利用酵母将其发酵成乙醇。但由于木质纤维素的组成成分复杂、稳定，使得其生物降解难于迅速进行，因此在糖化前需借助化学的、物理等方法进行预处理（见表1）。在生产中主要用的糖化菌是曲霉和根霉。曲霉有黑曲霉 ( A.niger ) 、白曲霉和米曲霉 ( A.oryzae ) 等；根霉则以东京根霉（又称河内根霉）、黑根霉 ( R.nigricans ) 等应用最广。酵母菌在厌氧条件下利用糖化后的葡萄糖时，先形成丙酮酸，丙酮酸脱羧形成乙醛，乙醛再在乙醇脱氢酶作用下形成酒精。其反应过程如下：乙醇发酵能力最强的酵母菌是子囊菌冈酵母菌属的啤酒酵母 ( Saccharomyces cerevisiae ) 。细菌中能进行乙醇发酵的菌种不多，仅有发酵单胞菌（Zymomonas ）、胃八叠球菌（Sarcina ventriculi ）和解淀粉欧文氏菌 (Erwinia amylovora ) 等少数种。它们在形成乙醇时的途径于酵母菌不同。运动发酵单胞菌（Z. mobilis ）可以通过 ED 途径发酵葡萄糖产生酒精。2.2生产方案确定1.燃料酒精是一种潜力巨大的生物能源，纤维质原料具有来源广泛、成本低廉、可再生等优点2.酶的催化高效性3.用酶催化使得成本较低4.由于酶具有底物高度专一性，所以产率很高，而且副产物很少，所以对于进一步的乙醇发酵减轻了提纯的工作量。3.1生产工艺流程设计及说明5.酶的的水解属于绿色工业,在21世纪将会是主流产业,具有广阔的前景3.1.1纤维素发酵乙醇工艺概述目前用于生产木质纤维素燃料乙醇的工艺主要有四种：分步糖化和发酵（SHF）、同时糖化和发酵（SSF）、同时糖化和共发酵（SSCF）以及联合生物加工（CBP）。本文选用SHF工艺，下面将对各个工段的工艺流程工艺条件及工艺流程的确认，以保证本设计的可行性和严谨性。3.2生产工艺流程说明3.2.1 预处理工序（1）目的切断纤维素、半纤维素、木质素之间的氢键，破坏纤维素的晶体结构9，去除半纤维素和木质素，以提高纤维素的转化率。增加了原料的流动性，有利于连续性生产。（2）工艺流程 纤维素预处理通常的方法有三种：物理法、化学法、复合法。本工序采用玉米秸秆为原料，利用物理法 10进行预处理，其流程图如下图3-2所示，经过该工序后半纤维素、木质素随滤液分离，最终得到脱木质素的纤维素进入酶水解共序。 图3-2 预处理工序流程图（3）工艺参数 预处理工序的工艺参数如下表3-1所示表3-1 预处理工艺参数名称工艺参数玉米秸秆进料组成25纤维素0.374%半纤维素0.211%木质素0.1769%灰分0.1024%能被水解的纤维素含量90%饱和蒸汽蒸汽温度250饱和蒸汽压力5.5MPa原料加热温度190加热时间530min蒸煮醪的密度0.95kg/m³调浆罐加水比1：3玉米秸秆的比热1.62×103J/kg.k（4）主要设备本次工序的主要设备有粉碎机、调浆罐、蒸煮罐、旋风分离器、洗尘塔、真空吸滤机、木质素萃取器、真空过滤机、离心机、压滤机等。3.2.2 酶水解工序（1）目的 通过酶水解工序，使预处理得到的滤渣中的纤维素被纤维素酶水解，打断纤维素分子产生内部的-1,4-糖苷键，得到可被酵母利用发酵的还原性葡萄糖。（2）工艺流程酶水解工序的工艺流程图如图3-3所示图3-3 酶水解工序工艺流程图纤维素酶水解工艺：酵母不能直接利用纤维素,所以发酵前还要经过酶水解过程,原料浆利用重力溢流进入水解罐，液位控制在50%左右，向水解罐里加入纤维素酶并使之充分混合来催化纤维素的糖化过程，其比活力为40000U/g。纤维素酶的添加比例为12U/g cellulose（纤维素）,在50的温度下，维持水解时间在24h左右,并保持流动状态, 使纤维素酶与原料充分接触,以便于酶的作用,生成可发酵性的糖，糖化过程中聚糖的转化率为0.95，得到的水解液利用真空过滤器，得到的滤液进入发酵工段，而滤渣则用来生产纤维素酶或送往锅炉间。纤维素酶的生产：除去木质素的纤维素作碳源(往往采用酶水解剩余下来的纤维素)，玉米浆作氮源，再加营养盐，配制成合适的培养基，在30，pH 4 .8条件下通风培养，二氧化碳和氮气排入大气。二级发酵后所得的发酵液离心除去菌体(滤渣)，滤渣加水均浆制成干物质8%的浆再次回收其中的酶。压滤得到的滤饼回入发酵罐作种子，滤液(纤维酶)送往酶水解车间。（3）工艺参数酶水解过程工艺参数的控制如下表3-2所示表3-2 酶水解工艺参数名称参数原料浆的干物质含量8%水解温度50水解pH4.0糖化时间24h干物质初始含量8%酶添加量12 U/g cellulose水解为葡萄糖的纤维素含量95%酶水解液的糖含量8%（4）生产设备本工序采用的设备包括：水解罐、纤维素酶发酵罐、真空过滤器等。3.2.3发酵工序（1）目的培育强壮、旺盛的酵母菌种。醪液中的糖类物质，在无氧条件下受酵母菌中酒化酶的作用发酵产生酒精的全过程。（2）原料 主要原料酿酒酵母、糖化工段的糖化醪等。发酵过程采用酵母：高效活性耐高温型干酵母。它具有耐酒精度高、耐酸、耐高温、发酵速度快、使用简单方便等优点。主要辅助原料硫酸(1418) ：调原料的pH值，主要是以控制醪液中的pH值在4.05.0之间来确定硫酸的添加量。营养盐：常用的营养盐有磷酸二铵，尿素等，其添加量根据实际生产中营养盐种类和原料的需氮量决定。需要注意的是，营养盐需用营养盐罐溶解后，再加入。抗生素：主要抑制革兰氏阳性菌的生长。抑菌灵：由于它对成品酒有污染，除了染菌外，一般情况不用。青霉素和抑菌灵一周换一次，换着使用。（3）工艺流程 本工艺采用的是连续发酵方式，发酵流程如图3-4所示：图3-4 发酵工序工艺流程图酵母通过细胞内酒化酶的作用，把可发酵性糖（葡萄糖）发酵成酒精。本工段分为两部分：酵母菌培养和酒精发酵纤维素酶法水解液的含糖分一般在8%左右，通过四效顺流式蒸发器蒸发后，浓缩至含糖分20%左右。最后一效蒸发器是在14 kPa的真空状态下进行。水解液的发酵，可用三组连续发酵罐。一般保持二组罐进行酒精发酵，另一组空出进行灭菌。发酵时间为24 h,酵母经离心分离后回用。发酵温度为3033 ,发酵醪pH值在4.04.5，发酵成熟醪含酒分为10%左右，发酵温度控制采用循环泵加罐外冷却器的方法。发酵过程中糖酒转化率达95% , CO2可回收利用。酵母菌培养：先用80，8%10%NaOH溶液喷洗1h（灭菌）；再用热水冲至中性，再用温水进一步冲洗，然后加入10t3840底水，加入干酵母45kg。轻微搅拌，静止保温10min，然后降温至32，加入营养盐（尿素200kg/天），再加入23t糖化醪，通入微量空气40m3/h，进行活化使其出芽，出芽状态酵母的发酵能力高出30倍，活化过程中缓慢加入糖化醪，达到工艺指标后往发酵罐送种子液。（4）工艺参数发酵过程工艺参数如下表3-3所示表3-3 发酵过程工艺参数名称参数糖化液用于种子培养的比例0.1接种率0.1酸度4.04.5Corn Steep Liquor (CSL) 添加量0.50%Diammonium Phosphate (DAP) 添加量0.67 g/L 发酵液接种温度2730发酵温度3033后发酵温度30±1酵母出芽率15%发酵成熟醪残总糖2.0%以下成熟酵母出芽率15%30%耗糖率40%50%成熟的酒母醪中的酒精含量10%左右总发酵时间48h（5）发酵醪的成熟指标乙醇发酵醪成熟指标的控制是生产中一项至关重要工作。如果能够控制恰到好处，不但可以提高设备利用率，增加乙醇产量。还能大大降低原料消耗，提高淀粉出酒率。发酵醪的成熟虽然与发酵时间、醪液浓度、发酵温度、酵母接种量和发酵方式等因素有关，但最终主要有表3-4所列的几项指标来控制。表3-4 发酵醪的成熟标准项 目连 续 发 酵镜检酵母形态正常无杂菌外观精度/°Bx0.5以下还原糖/%0.3以下带渣总糖/%1以下滤液总糖/%0.7以下乙醇含量（体积分数）/%810总酸总酸不超过0.5挥发酸0.10.15（6）清洗、灭菌CIP清洗方法(clean in place) ：先通入8%10的NaOH溶液，达到罐体的20%，将通到预发酵罐阀门关掉，打开种子罐循环泵，让种子罐自身循环，将罐清洗干净，20min后打开放料阀门回收NaOH溶液，用热工艺水来清洗，清洗至放料pH为6.57.2，此时罐及管线洗净。对其它罐也是如此清洗。灭菌：先向种子罐加罐体20%的水，再加2LNaClO，关掉通预发酵罐阀门，开种子罐循环泵，让种子罐自身循环2030min后停泵，开换热器管线通冷凝水换热后，管内温度为3840，以1/min降温。先洗二氧化碳洗涤塔，首先向塔内注入适量水，打开去成熟醪洗涤水管线上的阀门，启动泵，打到自动位置，打开泵的出口阀。螺旋板换热器的洗涤：打开物料出口阀及进口阀，然后打开冷却水的进出口阀，在清洗时，把关口关闭，清洗完，关闭阀门，密封试漏。（7）空气压缩及二氧化碳回收二氧化碳部分：发酵罐中醪液开始发酵后，产生的二氧化碳气体依靠发酵罐中的压力通过管道经气液分离装置(气封装置) ，去除被气体夹带的泡沫和微粒等，进入水洗涤塔，回收被二氧化碳带出的酒精蒸汽以及部分粗杂质。水洗后的气体进入储罐，排去部分水份， 进入空气压缩机。随后进入冷凝器降温。下一步进入油水分离器，最后进入旋风分离器，即可用于生产。空气部分：来自大气的空气进入预过滤器除去大的尘粒泥沙以及大的细菌，进入空气压缩机压缩并使温度升高，故经过冷凝器降温，随后经油水分离器除去由空压机内部带入的润滑油，水由底部阀门排出，经旋风分离器除去小的油滴，最后经第二个过滤器进一步过滤，同时观察温度与压力是否满足生产的需要。CO2中低浓度酒精的回收：待前后工序正常，本工序进出料平衡后，启动回收系统，回收CO2逸出时带走的酒精，开启一次入水阀，向低浓度酒精罐中加水，加水至一半时开启低浓度酒精泵进出口阀门，向洗涤塔供水，进行循环。开始时流量要稍大一些，待形成稳定的循环系统后，控制循环流量在要求范围内。用水循环洗涤CO2，待酒精浓度达到68%时，开启淡酒阀输送至成熟醪罐。同时必须封闭发酵罐口，避免乙醇挥发损失。控制指标如下：低浓度酒精罐液位8090%；低浓度酒精浓度68%(体积) ；低浓度酒精量2m3/h。（8）主要设备本工序主要设备包括：种子罐、发酵罐、换热器、T-130型空气干燥塔、GL-30型空气过滤器、无润滑油空压机、二氧化碳储罐、二氧化碳洗涤塔 、空气过滤器、空气储罐等。3.2.4 蒸馏工序11（1）目的1）分离杂质、副产物、水。2) 乙醇的浓缩(96%以上) 。（2）工艺流程蒸馏工序的流程如图3-5所示醛、酯 成熟醪 预热器 粗馏塔 冷凝器 精馏塔 工业酒精 蒸汽 杂醇油图3-5 酒精蒸馏工艺流程图本工序采用双塔蒸馏系统。该工艺系统又粗馏塔(粗塔，醪塔)和精馏塔两个塔组成组成：粗馏塔的作用是将酒精和挥发性杂质及一部分水从成熟发酵醪中分离出来，并排除由固形物、不挥发性杂质及大部分水组成的酒糟；精馏塔的作用是使酒精增浓和除杂。最后得到符合规格的成品酒精，并排除废水。根据精馏塔进料方式的不同，又有精馏塔气相进塔和液相进塔两种型式，本工序选用液相进塔型式。发酵成熟醪经预热器与精馏塔的塔顶酒精蒸汽进行热交换加热至40以上，并进入粗馏塔顶部（1822块塔板），粗塔塔底用直接蒸汽加热。酒精含量为50%V左右的酒精-水蒸汽从粗馏塔顶部引出酒精一水蒸汽经前三只冷凝器，大部分冷凝成液体，这种酒精一水冷凝液进入精馏塔，一小部分含头级杂质较多的酒精一水蒸汽在第四只冷凝器中冷凝，冷凝液作为醛酒馏分排出，不凝结气体从排醛管排出，酒糟由粗塔底部排出。精塔也用直接蒸汽加热，并被进料口区分为上下两段，上段称为精馏段，有40-60块塔板，下部称为脱水段(提馏段)，有13-18块塔板。酒精蒸汽在精塔内上升，逐渐增浓，最后从塔顶排出并顺次经过醪液预热器和三只冷凝器，预热器和前两只冷凝器中的冷凝液全部回入精塔顶部作为回流。最后冷凝器中的冷凝液作为醛酒馏分(头级杂质)取出，不凝结气体和一部分醛类从排醛管排入大气。不含酒精的蒸馏废水从精塔底部排出。成品酒精从精塔顶部第4-5块塔板上液相取出，因为这里的酒精含量已达到规定指标，头级杂质也是最少的。成品酒精经冷却器冷却后，通过检酒器进入成品桶，计量后送入酒精仓库贮存。（3）工艺参数蒸馏工段的工艺参数如下表3-5所示表3-5 酒精蒸馏工艺参数13名称项目参数精馏塔塔底温度104108塔顶温度95左右