产5万吨工业酒精的高浓度淀粉酒精发酵车间的设计

产5万吨工业酒精的高浓度淀粉酒精发酵车间的设计学生：蔡晶指导老师：龚美珍（三峡大学化学与生命科学院）1课题来源本课题为07届毕业生的毕业设计（论文）课题，来源于三峡大学化学与生命科学院生物工程系。2课题研究的目的与意义工业酒精是一种经济实用的清洁燃料。如今的能源危机，以及蓬勃发展的农业，都使得工业酒精产业的重新崛起、迅速发展成为必然。而生物发酵过程条件温和，转化率高，而且环保无污染，可以说是工业酒精的最理想的生产方法。生物发酵是利用淀粉质原料活糖原料，在微生物的作用下生成酒精。根据原料的不同，可分为：①淀粉原料酒精。这是我国和世界上生产酒精的主要方式，菌种利用薯类、谷物及野生植物等含淀粉的原料，在酶的作用下将淀粉水解为葡萄糖，再进一步发酵生成酒精。整个生产过程包括原料的蒸煮、糖化剂的制备、糖化、酒母制备、发酵及蒸馏等工序。②糖蜜原料酒精。直接利用糖蜜中的糖分，经过稀释并添加部分营养盐，借助酵母的作用发酵生成酒精。③亚硫酸盐纸浆废液原料酒精。造纸废料经也硫酸盐液蒸煮处理后，利用其中的六碳糖在酵母的作用下发酵生产酒精，主要用作工业酒精。我国生产酒精的原料主要有三类，①淀粉质原料(粮食原料)，包括谷物原料(玉米、小麦、高粱、大米等)和薯类原料(甘蔗、木薯、马铃薯等)。②糖质原料，最常用的是废糖蜜。③纤维质原料，目前用于酒精生产和研究用于酒精生产的纤维质原料有森林工业下脚料、木材工业下脚料、农作物秸秆、城市废纤维垃圾、甘蔗渣等。另外还有少量其他原料，包括亚硫酸盐纸废液、各种野生植物、乳清等。3国内外的研究现状和发展趋势近年来，随着我国经济的高速发展，我国石油年消费量以13％的速度增长，2004年进口原料油量超过1亿吨，是世界第二大的石油进口国。我国燃料乙醇起步虽然较晚，但发展迅速，以成为继巴西美国之后世界第三大燃料乙醇生产国，现有酒精生产企业1100家左右，其中80％以上为小型企业，年产量在万吨以下。目前，在我国酒精的产量中，以玉米、谷物为原料的占55％，薯类为原料的占33％，糖蜜为原料的占12％。近几年，我国酒精行业平稳发展，产量逐年增加，2000年产量为230万吨。2001年4月，原国家计委发布了中国实施车用汽油添加燃料乙醇的相关办法，同时国家质量技术监督局颁布了“变性燃料乙醇”和“车用燃料乙醇汽油”2个国家标准。作为试点，国家耗资50余亿元建立4个以消化“陈化粮”为主要目标的燃料乙醇生产企业。2006年，我国燃料乙醇生产能力达到102万吨，已实现混配1020万吨燃料乙醇汽油的能力。由于用粮食为原料生产燃料乙醇需要消耗大量的粮食，为此国家燃料乙醇产业坚持非粮燃料乙醇，原料的选择遵循“因地制宜，非粮为主”的原则。2002年车用汽油消耗量占汽油产量的87.9％，如果按10％比例添加生产燃料酒精换算，需要燃料酒精381万吨，而全年酒精总产量仅为20.7万吨，如果在不久的将来，能用燃料酒精替代500万吨等量汽油，就可以为我国节省外汇15亿美元。在目前中国人均石油开采储量仅为2.6吨的低水平条件下，开发新能源成为社会发展，推动经济增长的动力，燃料酒精作为国家战略部署的新型能源之一，在我国具有广阔的市场前景。4研究的主要内容、途径4.1研究的内容传统的酒精生产采用高温高压蒸煮发，波坏植物细胞间组织和细胞壁，使淀粉粒溶解并释放出来，但能耗高，且易造成糖分损失。现代研究表明，只需在淀粉原料吸水膨胀过程中增加低温糊化过程，即可达到理想的糊化效果。不同淀粉质原料的糊化温度各不相同。薯干原料淀粉的糊化温度一般为80℃，为达到淀粉溶出和灭菌的要求，宜将生产温度控制在80-85℃。现在的工业酒精很大部分都是用生物发酵的方法生产的，这就要用到酒精发酵的菌种。目前，酒精发酵的菌种主要以酵母菌为主。酒精发酵酵母的必备特性是：①能分泌一定的淀粉分解酶；②在发酵过程的第一个24h内有较高的生长率和发酵率，积累大量的酒精从而防止杂菌污染；③能耐受高浓度的酒精；④能在一个较宽的温度范围内生长和发酵；⑤能耐受酸性（pH可至2.0)；⑥能在高糖条件下发酵；⑦遗传性稳定。通过糖酵解途径，酵母将葡萄糖高效转化为乙醇和二氧化碳。酵母菌的种类很多，包括孢子酵母、产冬孢子酵母、掷孢酵母和无孢子酵母等，涵盖60个属500多种。4.2设计内容1）、淀粉质原料的蒸煮糖化及发酵方案的论证及设计方案的确定2）、蒸煮糖化及发酵生产工艺流程设计3）、蒸煮糖化及发酵生产工艺的物料衡算及热量衡算4）、蒸煮糖化及发酵车间的带控制点的工艺流程图设计及设备布置图设计5）、酒精发酵罐的设计及选型4.3主要生产工艺流程玉米→粉碎→搅拌→蒸煮（加α淀粉酶）→冷却→糖化（加糖化酶）→冷却→发酵（加酵母菌种）→蒸馏→精馏→酒精（无水乙醇）4.4本课题的研究手段设计以传统的酒精生产工艺为蓝本，综合毕业实习时收集的资料及查阅的大量相关资料，力求在工艺上，设备上追求一种简单、先进、合理的过程以适应社会和市场的需求。本课题的设计依据结合当地原料、水源、水质、能源供应及交通运输状况的调查与研究，依据自然状况，查阅大量相关资料，遵从设计题目要求，用学过的理论知识与实践相结合，进行这次题目的设计工作。首先就设计题目的规格进行全厂的物料衡算；在物料衡算的基础上，进行全厂设备的设计、计算和选型，通过对标准设备的生产能力的计算，选出其功率型号、设总量、材料及主要动力设备，列出全厂设备一览表。在课题最后是总体平面设计，基本原则是：严格遵照上述设计文件的要求进行平面布置设计，既要结合厂地自然条件因地制宜，又要注意技术经济性，节约用地，节省投资和留有发展地。5工作的主要阶段、进度2010.12—2011.2.24进行资料检索，学习响应面法的相关知识，完成外文翻译、文献综述及撰写开题报告拟订设计方案。2011.2.25—2011.3根据设计方案进行各项计算。2011.3—2011.3数据处理，书写论文，绘制设计图。2011.5进行毕业设计形式审查并答辩6最终目标及完成时间最终目标：，综合运用所学的工程学、化工原理和生物工艺学等方面的知识进行酒精发酵蒸馏车间的设计，掌握酒精生产技术发展新趋势，为以后在化学工程、生物工程、生物技术领域从事设计、生产、管理和新技术研究等方面工作打下一定的基础。完成时间：2011年5月底7现有条件及必须采取的措施现有图书馆查阅的一定资料以及以前做过工厂设计的经验，必须更严格的要求自己，借鉴以前的经验，努力最好的完成本次设计。