年产8万吨酒精工艺工厂设计项目

年产8万吨酒精工艺工厂设计项目可 行 性 报 告建 设 性 质： 新 建班别食品本092班项目申报单位：*有限责任公司项目申报日期：*年*月*日27 / 28引 言酒精生产过程是将淀粉质原料预制成葡萄糖,通过其与酵母发酵使其转化为含酒精混合物,再通过精馏分离制得乙醇的过程。在理论上来说者这是个简单的过程,但是要想在一个大规模的水平上获得最大效率,却需要依靠生物学和工程的结合。根据要达到80000吨/年的食用酒精生产水平的要求设计其生产工艺,按照流程进行实验室生产,最后扩大为工业化食用酒精生产。在生产过程中根据传统工艺流程,在预处理、糖化、发酵,蒸馏等方面进行适当的改进,选用较为先进的方法和设备,使原料和投入得到最大的利用,并以节省原料、降低生产成本、提高生产效率为原则,从而设计出达到80000吨/年的食用酒精生产水平的最佳工艺。 设计任务以薯类和玉米等淀粉质,采用发酵的方法生产酒精。生产规模为80000吨/年,生产中不能有次级酒精产品,全部为国标普通级食用酒精。3/4的食用酒精用薯干作原料,1/4的食用酒精用玉米作原料。4. 根据生产方法的选择原则,确定普通级食用酒精的具体生产方法,详细说明理由。5. 确定生产中原料、辅料消耗量及副产品生产量。并根据物料衡算结果,初步选择生产设备,绘制带控制点工艺流程图6. 根据厂区总平面布置的基本原则,在自己设定的厂区平面上,将酒精生产的各个车间包括辅助车间合理的布置在厂区平面上。7. 根据初步设计阶段设备布置的基本原则,进行蒸煮糖化车间设备布置设计。一 淀粉质原料酒精生产工艺淀粉质原料酒精生产的特点: 1淀粉是以淀粉颗粒的形式存在于原料的细胞之中,为了使淀粉能最 终转化成酒精,首先要创造条件,使淀粉有可能从细胞中游离出来。为此,原料要粉碎,以破坏植物细胞组织,便于淀粉的游离。 2采用水热处理,使淀粉糊化-液化,并破坏细胞,形成均一的醪液,使它能更 好地接受酶的作用并转化成为可发酵性糖。所以,淀粉质原料粉碎以后要加水拌成浆液并进行加热处理。多年来都是采用高压,高温的水-热处理方法,即高压蒸煮的方法；近年来低温常压的水-热处理方法,即低温蒸煮或80-85 C液化法得到了广泛的推广和应用。本次试验要求为高压蒸煮,即416k,5个大气压表压蒸煮。3糊化或液化淀粉只有在催化剂的作用下才能转成葡萄糖,这种催化剂可以是硫酸等无机酸,也可以是淀粉酶这类生物催化剂。目前国内外酒精生产上用的是淀粉酶系统。淀粉酶系统主要是糊化酶一般是细菌-淀粉粉酶,因其更耐高温和糖化酶,-淀粉粉酶水解淀粉的产物主要是糊精,糖化酶则主要把糊精转化为可发酵的葡萄糖。1.薯干和玉米都属于淀粉质原料,下面为淀粉质原料酒精生产的流程1 淀粉质原料 除杂粉碎 粉 料 加水调浆粉 浆 加-淀粉酶喷射液化 粉浆液化液 加入糖化酶糖化 取小部分加入酵母 糖 化 醪酒母加入酒精酵母进行酒精发酵 CO2酒精发酵醪 蒸馏 其他产品或杂质 废 醪 酒精 从上述流程可见,淀粉质原料酒精生产是由原料预处理,原料的水-热处理原料的蒸煮,糖化剂生产,糖化,酒母制备,发酵和蒸馏等工段组成的。下面分别对上述诸工段作详细的介绍。2.预处理淀粉质原料在正式进入过程前,必须进行预处理,以保证生产的正常进行提高生产的效益。预处理包括除杂和粉碎两个工序。2.1 原料的除杂2.1.1 必然性 淀粉质原料在收获和干燥的过程中往往会掺杂进泥土,沙石,纤维质杂物,甚至金属块等杂物。这些杂质如果不在投入生产前予以除去,则将严重影响生产的正常运转。石块和金属杂质会使粉碎机的筛板磨损或损伤,造成生产的中断；机械设备的运转部位。泥沙等杂质的存在也会影响正常的发酵过程。清除杂质,保证生产正常和顺利地进行,这就是除杂的目的。2.1.2 方法 筛选 风选 磁力除铁2.1.2.1 气流-筛选分离器用于谷物原料除杂用。凡是厚度和宽度或空气动力学性质与所用谷物不同的杂质,都可以用气流-筛选分离器将其分离。2.1.2.2 磁力除铁器铁质杂质通常用磁力除铁器来分离。磁力除铁器分永久性磁力除铁器和 电磁除铁器两类。2.2 原料的粉碎2.2.1 原料粉碎的必然性 对于连续蒸煮来说,原料必需预先进行粉碎,才能进一步加水制成粉浆,然后再用泵连续均匀地送入连续蒸煮系统。所以对于连续蒸煮来说,原料粉碎是一个前提。原料进行水-热处理的目的是要使包含在原料细胞中的淀粉颗粒能从细胞中游离出来,充分吸水膨胀,糊化乃至溶解,为随后的淀粉酶系统作用,并为淀粉转化成可发酵性糖创造条件。达到这个目的。可以采用整粒原料高压蒸煮,粉碎原料较和缓条件下蒸煮和超细粉碎三种方法。就目前的情况来看,先将原料粉碎,再在缓和的条件下进行蒸煮是较好的方法。2.2.2 原料粉碎的方法 干式粉碎 湿式粉碎 干式 ： 干式粉碎应采用粗碎和细碎。 粗碎：原料过磅称重后,进入输送带,电磁除铁后进行粗碎。粗碎后的物料以薯干为列应能通过6-10mm的筛孔,然后在送去进行细粉碎 。 细碎：经过粗碎的原料进入细碎机,细碎后的原料颗粒一般应通过1.2-1.5mm的筛孔。也有采用1.8-2.0mm筛孔的适合玉米粉。 湿式 ：湿式粉碎是指粉碎时将拌料用水与原料一起加到粉碎机中去进行粉碎。3.原料的输送 本设计采用气流输送3.1气流输送俗称凤送。是利用气流管子中输送物料。它的简单原理就是：固体物料在垂直向上的气流中受到两个力的作用,一个是向下的重力,一个是向上的推力,如果推力大于重力,则物料被气流带动向上运动,从底部移到高位。举例：甘薯和玉米进入接料器,它就被吸料管中的上升气流带动,从低位运送到高位,原料中的金属,泥土和石块等杂质,则因相对密度较大,不能为气流所带走而留在接料器底部或直接落在地上。3.2 选择气流输送的原因：（1） 采用气流输送后,输料管和粉碎设备均在密闭负压的条件下进行运转,粉 尘飞扬基本消除,原料损失和劳动条件恶劣两个问题均迎刃而解。（2） 实现气流输送后,铁片,石块等杂物,能较可靠地在一级升料管的接料器底部被自动风选出来,从而保证了筛子和设备较长期的完好使用。（3） 采用气流输送后。粉料被气流从粉碎机中吸出,从而提高锤碎机能力百分之五十。（4） 机械输送动力消耗低。4原料预处理流程原料 称重 倒包 皮带输送 除铁 粗碎 斗式提升机 料斗 细粉碎 吸风管 旋风分离器 粉料 闭风机 料斗 加料器绞龙 拌料预煮罐风机 布袋过滤器 大气 细粉回收5 原料的水-热处理5.1原料水-热处理的目的 含在原料细胞中的淀粉颗粒,由于植物细胞壁的保护作用,不易受到淀粉酶系统的作用。另外,不溶解状态的淀粉被常规糖化酶糖化的速度非产的缓慢,水解程度也不高。所以,淀粉原料在进行糖化之前一定要经过水-热处理,使淀粉从细胞中游离出来,并转化为溶解状态,以便淀粉酶系统进行糖化作用,这就是原料水-热处理的主要目的。5.2 原料水-热处理的理论基础5.2.1淀粉的结构和理化性质1淀粉颗粒的形状淀粉颗粒呈白色,不溶于冷水和有机溶剂,颗粒内部呈复杂的结晶组织。不同的淀粉颗粒具有不同的形状和大小。一般来说,含水分高,蛋白质少的植物其淀粉颗粒较大,形状也比较整齐,大多数呈圆形或卵形,如甘薯的淀粉。同一淀粉的颗粒大小也不均匀。淀粉颗粒具有抵抗外力作用较强的外膜,其化学组成与内层淀粉相同,但由于水分较少,密度较大,故强度较大。2淀粉分子的结构 淀粉分子是有许多葡萄糖基团聚合而成的。根据淀粉分子链结构的不同,淀粉可分成直链和支链淀粉两类。直链淀粉溶解于70-80 C的温水中。支链淀粉具有分支,它不溶解于温水中。它也是由葡萄糖基团组成。（3） 淀粉的膨胀和溶解淀粉在水中加热,即发生膨胀。这是淀粉颗粒好像是一个渗透系统,其中支链淀粉起着半透膜的作用,而渗透压的大小及膨胀程度则随温度的增高而增高。从40C开始,膨胀的速度就明显加快。当温度升高到一定数值60-80C时,淀粉颗粒的体积膨胀至原来体积的50-100倍时,淀粉分子之间的联系削弱,引起淀粉颗粒的部分解体,形成了均一的粘稠液体。这种无限膨化的现象为淀粉的糊化。与此相应的温度叫做糊化温度。糊化现象发生后,如果温度继续上升,并达到130 C左右时,因为支链淀粉也已几乎全部溶解,网状组织彻底破坏,淀粉溶解变成粘度较低的流动性醪液,这种现象称为淀粉的溶解。（4） 淀粉糊化醪的反生现象液化了的淀粉醪液在温度降低时,粘度会逐步增加。冷到60C时,变得非常粘,到55C以下会变成冻胶,时间一长,则会重新发生部分结晶的现象。5.2.2淀粉质原料各组成分在蒸煮过程中的变化（1） 淀粉的变化 淀粉的水解变化。（2） 糖的变化 己糖 戊糖 焦糖 氨基糖（3） 纤维和半纤维素 纤维素是植物细胞壁的主要成分。半纤维素在蒸煮过程中会部分溶解和水解。（4） 果胶质 果胶质是细胞壁的组成成分,也是细胞间层的填充剂,其化学结构是由半乳糖醛酸或半乳糖醛酸甲酯组成的链状化合物。（5） 含氮物,脂肪和其他物质的变化5.2.3蒸煮过程中可发酵性物质的损失5.3连续蒸煮工艺5.3.1 连续蒸煮工艺应满足的要求 1原料的粉碎2粉浆的预煮预煮醪的蒸煮4蒸煮醪的汽液分离5.3.2 连续蒸煮的工艺流程本设计方案用塔式连续蒸煮工艺流程5.3.2.1塔式连续蒸煮工艺流程的主要特点即选择原因：因为评价一个工艺的主要技术经济指标有：出酒率,原料粉碎和拌料的电耗,蒸汽消耗,设备价值和安装费用,劳动力消耗等。我们就从这几个方面谈起。连续蒸煮在出酒率方面都比间歇蒸煮高原因在于蒸煮条件的较为和缓和可发酵性物质损失的减少。且其所需要的工人数也比间歇工艺减少,劳动生产率因此提高。综合所有因素,塔式连续蒸煮工艺流程的出酒率高,电耗和蒸汽量则是最低,相比其他的方法。新建连续蒸煮装备时,应采用塔式连续蒸煮工艺。6 糖化工艺6.1糖化剂的定义用淀粉质原料生产酒精时,在进行酒精发酵前,一定要事先将淀粉全部或部分转化成葡萄糖等可发酵性糖,这一淀粉转化为糖的过程称为糖化,而促使淀粉转化成糖的生物催化剂称为糖化剂。6.2 糖化的目的 淀粉质原料蒸煮以后得到的蒸煮醪,或者无蒸煮工艺的醪液,在发酵前均要加入一定数量的糖化剂,使淀粉在淀粉酶系统的作用下水解成酵母能发酵的糖类。淀粉转变为糖的这一过程,称为糖化。糖化后的醪液称为糖化醪。主要目的还是将淀粉酶解成发酵性糖6.3 淀粉的水解动力学 1酶的浓度 当糖化剂的活性相同,计算方法和其他条件也一样时,随着糖化剂用量的增加,酶的浓度和有效酶-基质复合物的量也增加,因此,淀粉的水解速度也加快。但是,在没的数量和糖化时间之间并不存在明确的比例关系。糖化醪的发酵速度随着酶的添加量的增加明显加快。 2温度随着温度的升高,基质分子反应能力提高,因为动能增加了,同时电子也处于能量较高轨道上。不同的微生物来源的酶,其适应的温度范围是不同的。 3氢离子浓度氢离子浓度可以从许多方面来影响酶的活性。改变没的活性中心的电子化,改变蛋白质三相结构的稳定程度等等。每一个酶都有一个最合适的作用PH值,这就是酶作用的最适PH。酶的来源不同,它们的最合适PH也不一样,而且作用温度不同,最适合PH值也会变化。6.4 糖化过程中物质的变化 1碳水化合物 2含氮物质在糖化过程中,醪液中的蛋白质在蛋白酶的作用下水解成胨,多肽和氨基酸等,所以糖化时醪液中氨基酸的含量增加1.52.0倍。这些小分子的氨基酸是酵母菌体增殖的良好营养分。 3果胶物质和半纤维素在糖化过程中,醪液中的果胶质和半纤维素会有不同程度的水解,并生成相应的水解产物。 4含磷化合物在磷酸酯酶的作用下,磷从有机化合物中被释放出来,这对酵母的生长和发酵都有重要的意义,醪液的缓冲性能也得到改善。6.5 糖化方法6.5.1 糖化过程的组成蒸煮醪冷却至糖化温度；加糖化剂,使蒸煮醪液化,淀粉糖化,物料的巴斯灭菌；糖化醪冷却到发酵温度和用泵将醪液送往发酵或酒母车间。6.5.2 连续糖化工艺6.5.2.1类型混合冷却连续糖化,真空冷却连续糖化,二级真空冷却连续糖化。6.5.2.2方法本实验选择真空冷却连续糖化原因：利用原有糖化设备,糖化工序仍放在原有糖化锅中进行,而在糖化前采用一个气液分离器真空条件下先将醪液冷却至糖化温度。6.5.2.3操作 先用间歇操作方法制备一锅60 C糖化醪,在开动搅拌器和开大冷却水前提下,连续从后熟器或蒸汽分离器送入蒸煮醪。固体曲曲乳、液体曲,或糖化醪稀释液不断从贮罐定量地流入。糖化醪则以锅底醪经往复泵送往喷淋冷却器,冷却到30C的糖化醪送往发酵车间,送往酒母车间的糖化醪不必经后冷却。只要单位时间由蒸煮醪带入的多余热量和冷却水单位时间带走的热量相等,则糖化锅内的醪液的温度就可以维持在60C,持久不变,只就是混合冷却连续糖化工艺的使之所在。6.6 糖化过程的控制（1） 糖化温度 在蒸煮醪时,不宜采用糖化酶的最适作用温度,因为酶稳定的最适温度比其他作用的最适温度低。所以在最适作用温度下进行糖化,虽然糖化速度提高了,但是酶的失活率也比较高,不利于在发酵过程中进行的淀粉后糖化作用。（2） 糖化时间糖化30min就够了,醪中所含的糖已经够酵母最初繁殖和发酵的需要。而且糖化时间再延长,不仅糖含量增加较慢,而且糖化酶失活量增加,这会造成发酵过程中边发酵边糖化作用的削弱,综合效果反而恶化。另外,糖化时间过长会降低糖化设备的利用率。 糖化剂的用量过多的糖化剂的使用会增加成本。（4） 糖化醪质量检测主要测定外观糖和酸度。（5） 糖化设备的清洗和灭菌凡是因故停止送糖化醪达15min以上者,一定要用水或蒸汽将管道中的糖化醪放空冲洗干净。喷淋冷却器等设备的结构要能排污和没有死角。7酒精酵母7.1酒精生产对酵母的要求（1） 应具有较高的发酵能力,即能快速并完全地将糖分转化为酒精。（2） 繁殖速度快,即具有高的比生长速度。（3） 具有高的耐酒精能力,即对本身代谢产物的稳定性高,因而可以进行浓醪发酵。（4） 抵抗杂菌能力强,即对杂菌代谢产物的稳定性高,耐有机酸能力强。（5） 对培养基的适应性强,耐高温,耐盐,耐干物质浓度的性能强。7.2 酵母的生长条件（1） 温度和PH酵母生存和繁殖的温度范围很宽,但是,其正常的生活和繁殖温度是29-30C。在很高或很低的温度下,酵母的生命活动削弱或停止。酵母发育的最高温度是38C,最低温度为-5C,在50C时酵母死亡。（2） 酵母对营养物质的要求由于酵母的化学组成与培养基,培养条件和酵母本身所处的生理状态有关,所以,可以根据酵母的化学组成来讨论其对营养物质的需求。（3） 营养来源酵母的营养区分为内部营养和外部营养两类。在外部营养时,营养物质是从培养基进入细胞,而内部营养时,酵母利用自己的贮存物质：肝糖,海藻糖,脂类,含氮化合物。（4） 其他因素糖化醪的浓度 ,无机酸和有机酸的影响,钙,铁,镁,离子的作用。7.3 生物合成和发酵产品的糖耗酒精发酵是无氧型呼吸,这种呼吸在能量方面比有氧呼吸不合算,因为,分解1mol糖,生产酒精和二氧化碳时,只释放出117.23热量,而糖燃烧成水和二氧化碳时,要释放出2821.90KJ热量。所以在发酵时,酵母要分解许多倍于呼吸所要的糖,以获得所要的能量。酒精生产实际上就是利用这一点来制备更多的酒精。就这样,原生质的合成和糖分解生成发酵主产品和副产品,这两个性质相反的过程,在酵母的生命活动过程中紧密地连接在一起,称为其物质代谢的两个方面同化和异化。7.4 污染酵母的净化的方法往久母醪中添加硫酸,浓硫酸事先用8-10倍的水稀释,然后加到要净化的酒母醪中,使其酸度达8.5度,保持3-4h。此时,醪液的PH应是2.7-3.酸化处理后的死细胞不应超过百分之五十,否则应适当缩短处理时间。净化处理后的酒母醪新流加久母醪,但其酸度应较常规的糖化醪低,一般比常规酸度低0.5-1度。7.5 影响酵母质量的主要因素（1） 接种与成熟久母细胞数的关系对于同一种酒母糖化醪,接种量过大,则新增酵母细胞数相应减少；接种量太小,因酵母世代数增加,新鲜强壮的酵母量也会相应的减少。（2） 接种量与培养时间的关系接种量变大,培养时间就缩短,工厂中如采用分割法培养小酒母或大酒母成熟时间以成倍缩短。（3） 接种时间在繁殖旺盛期,醪液中酵母的增殖能力特别强,其生命活动也处于最旺盛的阶段,细胞总数也达到或接近最高峰,这时接种最有利于酵母的继续扩大培养,它能迅速地造成酵母优势,抑制杂菌的生长。（4） 酒母培养温度由于酒母培养期间会产生热量而使醪液温度升高,操作时要及时注意开冷却水冷却,以保证酵母菌健壮成长。（5） 通风培养久母在实际培养酒母时,往往用不停期的搅拌来适当地补充一点溶解氧,就能基本满足酵母生长的需要。如果工厂具备无菌空气,则也可以通2-3次风,每次1-2min,风量为每立方米酒母醪每小时通入2立方米无菌空气即可。（6） 防止杂菌污染除了对原始菌种进行定期分离纯化外,在培养过程中要加强无菌管理和环境卫生工作,特别要注意酒母罐的情况和管道阀门的清洗和灭菌,要注意消除死角。酒母车间应与其他车间隔开,避免污染。8 糖化醪的发酵8.1 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。8.2 酒精发酵机制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。8.3 酒精的发酵动力学8.3.1表示方法 1测定发酵度数值的变化。 2测定释放二氧化碳的重量或体积。 3按时测定已被发酵糖的数量,并以绝对或百分数来表示。8.3.2三阶段 1前发酵期 由于醪液中酵母细胞密度不高,发酵作用不强,酒精和二氧化碳生产量很少,所以发酵醪的表面显的比较平静,糖分消耗的比较慢。醪液温度上升也比较慢。发酵的温度一般为26-28,不要超过30C,以免引起酵母早期衰老,表现为主发酵的过早结束,造成发酵不彻底的弊病。而且应特别注意防止杂菌污染。一般为10h。 2主发酵期酵母菌基本停止繁殖而进行酒精发酵,醪液的糖分迅速下降,酒精含量逐渐增多。从表观上看,由于产生大量二氧化碳,二氧化碳的释放带动醪液上下翻动,并发出泡沫破裂的响声。温度一般控制在30-34,总时间一般为12h。 3后发酵期醪液中的糖分已大部分被酵母菌所发酵,但醪液中残存的糊精等继续被淀粉酶系统作用并转化为糖,而酵母则将它转化为酒精,所以过程缓慢,温度下降。温度一般在30-32,总时间一般为40h。8.3.3 酒精发酵机制1） 葡萄糖磷酸化,生成活泼的1,6-二磷酸果糖。 1葡萄糖的磷酸化6-磷酸葡萄糖的生成 26-磷酸葡萄糖和6-磷酸果糖的互变 36-磷酸果糖生成1,6二磷酸果糖2 1,6-磷酸果糖裂解称为两个分子的磷酸丙糖。 11,6二磷酸果糖分解生成两分子三碳糖 2磷酸二羟基丙酮与3-磷酸甘油醛互变33-磷酸甘油醛经氧化,并磷酸化,生成1,3-二磷酸甘油酸然后将高能磷酸键转移给ADP,以产生ATP,再经磷酸基变位,和分子内重新排列,再给出一个高能磷酸键,而后生成丙酮酸。 13-磷酸甘油醛脱氢并磷酸化生成1,3-二磷酸甘油酸。 23-磷酸甘油酸的生成 33-磷酸甘油酸和2-磷酸甘油酸的互变 42-磷酸烯醇式丙酮酸的生成 5丙酮酸的生成8.3.4.1 酒精发酵过程中主要副产品的生成 1甘油的生成酵母在一定条件下,可以转化糖分为甘油。但是,在正常酒精发酵条件下,发酵醪中只有少量的甘油生成,其含量约为发酵醪量的0.3-0.5%。正常的酒精发酵应在酸性情况下进行,以免甘油过多产生,造成酒精出率的降低。 2杂醇油的生成在酒精发酵过程中,由于原料中蛋白质分解产生了氨基酸,后者的氨基酸被酵母菌同化,用作氮源,存下额部分脱羧生成相应的醇类,这些醇类就是杂醇油。 3琥珀酸的生成 4乳酸等有机酸的生成最常见的有机酸,醋酸,和丁酸等。它们分别是由乳酸菌,醋酸菌和丁酸菌发酵产生的。8.3.4 酒精发酵工艺 选择连续发酵工艺8.3.4.1 连续发酵的控制 1稀释比的确定 2滑流和滞留的防止滑留是指后进的醪液先流出。滞留是指先进的醪液后流出去。 3污染的防止加酸酸化,预防性灭菌 4二氧化碳气塞的防止8.3.4.2 酒精连续发酵工艺流程 梯形式发酵罐梯形式连续培养法：本方法的微生物培养和发酵过程是在一组罐内进行的,每个罐本身的各种参数保持基本不变,但罐与罐之间则并不相同,且按一定的规律形成一个梯度。8.3.5 发酵成熟醪的指标 1外观糖成熟醪用纱布过滤后,直接用糖度计测量所得的数值叫外观糖。干物质浓度越低,酒精含量越高,糖度计测量得到的数值越小。 2还原糖是取滤布过滤后的发酵醪液,加热蒸去所含酒精,并加水恢复到原来体积后,以测定还原糖的方法测得的数值。 3残总糖是发酵醪不经过滤,用2%HCL水解转化后测得的糖量,它不仅包括发酵醪中的具有还原性的糖类,而且还包括未被转化发酵的淀粉和糊精。 4酸度发酵醪酸度采用滴定法测定。它是判断发酵醪是否感染杂菌的可靠指标,因为酵母发酵基本不产生酸,只有杂菌才会产酸。 5挥发酸测定方法是取发酵醪若干加入适量水后,以蒸馏方法蒸出相当于原发酵醪体积的馏出液,按测定酸度方法测定。 6酒精含量用蒸馏方法测定。8.3.6 影响酒精发酵的因素 1糖化醪的浓度糖化醪浓度高,所得到发酵醪的酒精含量高,设备利用率也就提高,水,电,气等单消耗则相应降低,酒精额生产成本就低。 2发酵温度为了节约冷却水用水和保证热天酒精发酵的顺利进行,国内外都在研究耐高温酵母,在进行高温酵母酒精发酵时,要特别注意防止细菌的繁殖,否则难以得到良好的结果。 3发酵醪酸度 4酵母接种和发酵时间 5连续发酵稀释比8.3.7 酒精发酵中杂菌污染的危害及其防止 1杂菌污染造成的直接损失杂菌消耗糖,造成直接损失。 2杂菌污染造成的间接损失杂菌产生的有机酸对酵母的生命活动有明显的影响。酸度增加对淀粉酶系统活性造成抑制性影响,这只有麦芽作为糖化剂时候才能明显影响。 3杂菌污染的防止提高他们对车间清洁卫生和操作规程中规定的消毒灭菌工作重要性认识,其次就是健全操作规定,特别是有管消毒灭菌的条例。9. 发酵成熟醪的蒸馏和精馏9.1 原理蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发性能的不同,将各组分分离的方法。它就是当前全世界酒精工业从发酵醪中回收酒精所采用的唯一方法。9.2 发酵成熟醪的化学组成 发酵醪中的干物质可分为不溶性悬浮物质和可溶性物质两大类。属于前者的有酵母菌体、皮壳、纤维、不溶性淀粉及其他杂质；属于后者的有未发酵完的糖、糊精、可溶性蛋白质、无机盐等。此外,甘油、琥珀酸、乳酸等也属于不挥发性杂质。9.3 酒精蒸馏精馏的工艺流程和操作9.3.1 以薯干和玉米为原料薯干原料果胶质含量高,而玉米原料蛋白质含量高,因此,薯干原料生产酒精时容易导致甲醇含量高,玉米原料生产酒精容易导致杂醇油如异丙醇、异戊醇等含量高,根据这些物质的蒸馏特性,甲醇是典型的端级杂质,而杂醇油是典型的中级杂质,因此甲醇在蒸馏过程中将在蒸馏塔的顶部和底部形成浓度高峰,而杂醇油则在蒸馏塔的中部形成浓度高峰,为了保证普通级食用酒精的质量,首先蒸馏工艺必须选择三塔蒸馏,建议采用粗馏塔精馏塔甲醇塔组合,既能保证甲醇的有效去除,也能有效解决杂醇油的问题。当然,采用粗馏塔精馏塔甲醇塔组合也可以,但必须注意精塔分凝器的面积分配和温度控制。故此工艺采用三塔流程,三塔流程包括粗流塔,排醛塔和精馏塔三个塔。排醛塔的作用是排除醛脂类头级杂质,由于排醛塔的排除头级杂质是在酒精浓度较低的时候进行的,醛脂类头级杂质的精馏系数较大,比精馏塔顶部部分离头级杂质的效果好,另外由于进入精馏塔的脱醛酒已经含有很少头级杂质,所以成品酒精液层的酒精水蒸汽中头级杂质已经相应降低,成品酒精的质量当然就相应提高。9.3.2 三塔流程1原则流程 1直接式流程特点是醪塔的酒精蒸汽直接进入醛塔和精塔,发酵醪先排醛再进入醪塔。该流程的优点是低酒毒条件下排醛,效果好,加热蒸汽只通如醪塔或精塔底部,醛塔不用直接蒸汽加热,所以蒸汽消耗较小。 2半直接式的特点是发酵醪先进入醪塔,醪塔蒸汽进入醛塔,脱醛淡化酒进入精塔。 3间接式流程的特点是醛塔和精塔都是液相进料。9.3.3直接式蒸馏流程发酵醪先经过醛塔,再进入醪塔。由于发醪中酒精的浓度低,杂质的挥发系数大,排醛过程进行得比较完全。9.3.4 半直接式蒸馏流程消耗热能虽然比直接式大,但是可以较稳定地得到质量比较优良的成品。9.3.5 间接式三塔蒸馏流程有优良的操作性能。操作稳定,控制和调节方便,成品质量高。9.4 酒精蒸馏精馏装置的操作 1开机前对蒸馏装置进行必要的试验在新制蒸馏设备投产前,在蒸馏装备局部更新投产时,在大修后开机前,或者原装置长期闲置没用,再次启用前都要对装置进行水试,汽试和料试。 2开机开机操作是指设备投入正常生产时的一系列启动装置的操作程序。包括检查塔底加热室液位和塔板上液位或塔板的湿润状态,打开塔顶空气阀,预先热精塔等。 3停机当装置要长期停止云装或要停机进行清理时,应以水代醪蒸馏一段时间,以便将塔内全部酒精精馏空。 4蒸馏操作控制参数 三塔装置控制参数初馏塔操作参数,排醛塔操作参数,精馏塔操作参数。5进醪方式 蒸馏装置的正常运行要求均匀进醪,必须时对进醪量进行调节。 6排糟和排废水为了使得蒸馏装置能正常运行,蒸馏塔底的酒糟和精馏塔底的废水一定要能均匀的,自动的排出。 加热方式分为直接加热和间接加热。直接加热是通过鼓泡器来完成的。间接加热器可以是在塔底加热室中装蛇管加热器,也可以是采用塔外热交换器。8醛酯馏分的提取方式及其回用技术杂醇油的分离杂醇油的分离流程2为：精馏塔 液相取油 冷却 加水稀释 分层 上层粗杂醇油 盐析 成品杂醇油下层谈酒 回入精塔下部相应塔板9.5 酒精的化学处理 酒精的化学处理是一种辅助措施,它有助于从酒精中排除那些较难用精馏方法除去的杂质。化学处理主要是用来从酒精中除去酸类、脂类、醛类和不饱和化合物。粗酒精中的不饱和化合物是指那些可被高锰酸钾氧化的化合物。他们的含量很少,常规分析无法测出,但品尝时可以感觉到它们的存在。其化学性质尚不清楚。为了作用于脂类和酸类可采用氢氧化钠,为了作用于醛类则用稀的高锰酸钾溶液。有时化学处理只单独有氢氧化钠。9.6 蒸馏过程中酒精的损失蒸馏过程中酒精损失的总和是由酒糟,精馏废水凝结气体带走的酒精及由于设备、管道和阀件不密闭造成的酒精散逸两大部分组成的。允许的酒精损失矢量是根据设备的生产能力和季节来决定的。损失也与设备运转的正确程度和操作人员的经验有关。为了减少损失,首先就要努力使供醪、供汽和供水达到稳定。二 食用酒精生产的物料衡算 设计题目：80000T/年食用酒精工艺设计1酒精生产工艺技术指标生产规模：80000T/年生产方法：双酶糖化、间歇发酵、三塔蒸馏生产天数：300天/年 食用酒精年产量：80000T 食用酒精日产量：267T 食用酒精时产：11.13T,即11130kg/h 副产品年产量：不得有次级酒精占酒精杂醇油量：为成品酒精量的0.5% 产品质量：国标食用酒精乙醇含量95%V/V生产原料：3/4薯干原料含淀粉65%、水分13%、1/4玉米原料含淀粉68%、水分11%-淀粉酶的用量为8u/g原料,糖化酶用量为150u/g原料,酒酵母糖化醪用糖化酶量为300u/g原料酸铵用量：7Kg/T酒精； 浓硫酸98%用量调PH：5Kg/T酒精 调浆时：料水比为1:3.5,调浆后粉浆温度为343k,每个粉浆罐的容积为5m2,径高比为1:1.5,锥形部分的高度为圆筒部分高度的1/3,交替使用。糖化醪91%作为生产糖化醪,9%作为酒母糖化醪,酒母糖化醪制备时,料水比为1:4.5。粉浆有关数值：粉浆比热为3.57kj/kg.k,蒸煮的温度为416k,加热蒸汽的压力位5个大气压表压,加热蒸汽的热焓为657.84.187kj/kg,加热蒸汽的凝结水的热焓为1434.187kj/kg,整个蒸煮时间为2小时,最后一个后熟器的压力为0.5个大气压表压,对应的温度为384k,气液分离器中糊化醪的比热为3.6kj/kg.k。糊化醪的比重为1.085,糊化醪的比热为3.64 kj/kg.k。蒸煮锅后熟器要求;蒸煮锅和每个后熟器的容积相等,气液分离器装料量为50%,蒸煮锅、后熟器、气液分离器圆筒部分径高比为1:3。冷却器：正空冷却器有圆柱形部分和锥形部分组成,圆柱形部分的高度为直径的1.5倍,圆锥低角为45。真空度维持在550mm汞柱,对应温度340k,二次真气汽化热为5584.187kj/kg.k,二次蒸汽的比容为5.7m/kg,二次蒸汽的上升速度为0.8m/s,醪液下降管的长度为10m,垂直安装。糖化锅:糖化锅由圆柱形部分和球形部分组成,装料系数为75%。几何容积的计算按以下进行： V=0.785D+1/3h3r-hD圆筒部分的直径m；H圆筒部分的高度m；h球形底的高度m；r底的曲率半径m；H=2D；h=0.25D;r=D+4h/8h糖化时间为45min 2原料消耗计算以生产1000kg国标食用酒精为例工艺计算,在设计或改建、扩建酒精厂中,对生产过程的物料和能量衡算是必不可少。衡算结果不但为生产设备和动力设备的设计、选型提供重要依据,而且能获得生产过程主副原料的消耗、水电气的消耗以及成品、副产品和废料的数量。这些都是组织和管理生产、进行成本核算的必要依据。2.1原料计算现以生产95%V成品酒精1000kg作为计算的基准。虽然玉米和薯干的淀粉、蛋白质含量不同,结构密度也有些不同,但经过粉碎、加工混合后,两者中和,蒸煮温度取接近薯干的,对生产很方便。从淀粉质原料生产酒精的化学反应式原料与成品之间的定量关系如下：可以得到每生产1000kg无水酒精需要淀粉量为：100016292=1760.9kg而95%的成品酒精相当于92.41%,故生产1000kg95%V成品酒精需要的淀粉量为：1760.992.41%=1627.2故生产80000t95%v/v食用酒精所需淀粉为： 1627.280000/10001000=130176000kg酒精生产要经历许多的工序和复杂的生物化学变化,在生产的各个阶段难免会有淀粉的损失,根据实际经验,生产1000kg上食用酒精生产过程中各阶段的淀粉损失的分配大致如表3。生产过程淀粉损失一览表生产工序淀粉损失原因淀粉损失量%原料预处理粉尘损失0.40蒸煮未溶解淀粉及糖分破坏0.50发酵未发酵残余糖分1.50发酵巴斯德效应和用于发酵副产物损失4.00发酵酒精自然蒸发与被二氧化碳带走1.30若加酒精捕集器,此功率损失可降为0.3%蒸馏废槽液带走及其它蒸馏损失1.85累计损失9.55由酒精捕集器回收酒精1.00实际损失855因此,一般在整个生产过程中淀粉利用率在91.45%之间,若以上表为依据,淀粉利用率为91.45%计算,每生产1000kg成品酒精需要淀粉量为：1627.21-8.55%1779.3薯干量为：1779.365%=2737.4 玉米量为：1779.368%=2616.6故生产1000kg3/4来自薯干、1/4来自玉米的上食用酒精总淀粉原料为： 0.752737.4+0.252616.6=2707.2kg2.2辅料计算221 -淀粉酶的消耗量蒸煮醪所需辅料的计算;以设计要求薯干、玉米为原料,应用酶活力为2000u/g的-淀粉酶进行液化4,促进糊化,可减少蒸汽消耗,据技术指标,-淀粉酶的用量按8u/g原料计算,则酶用量为：2707.2kg1000g/kg8u/g2000u/g=10.8kg222 糖化酶的消耗量蒸煮醪所需辅料的计算;以设计要求薯干、玉米为原料,应用酶活力为20000u/g的糖化进行糖化,据技术指标,糖化酶的用量按150u/g原料计算,则酶用量为：2707.2kg1000g/kg150u/g20000u/g=20.3kg此外,酒母糖化制备时,糖化酶用量按300u/g原料计算,设酒母用量为10%,则酶用量为： 2707.2kg10%70%300u/g20000u/g=2.8kg注：其中70%指酒母糖化醪制备时,糖化醪为70%,另外补充30%的水。223 硫酸铵的消耗量在酒精生产中,硫酸铵用于补充舅母培养基的氮源,用量为酒母用量的0.1%。则据以上可得硫酸铵的用量为：1265.90.1%=1.27kg 式中酒母量1265.9见后面计算中。23 蒸煮醪量计算根据生产实践,连续蒸煮首先将粉碎原料在配料调浆罐内与温水混合,加水比一般为1:3左右,本实验取1:3.5则粉浆量为：270712181.5kg在蒸煮过程中用直接蒸汽加热,在后熟器和气液分离器减压蒸发冷却,这样随着蒸煮过程的进行,蒸煮醪量将随时间发生变化,要确切知道数量变化必须与热量衡算同时进行,这里简化计算,用以下方法近似求解。假定采用罐式连续蒸煮工艺,混合后粉浆温度为343K,应用喷射式液化器使粉浆温度迅速上升至416k,然后进入罐式连续液化器液化,在真空冷却器中闪击蒸发冷却至384K进入发酵罐。 根据所给数据,知道蒸煮醪比热为3.57kj/kg.k。为简化起见,设此比热在整个蒸煮过程中维持不变。经加热蒸汽喷射液化过后的醪液量为：12181.5+12181.53.57416-343/657.84.187+4.187=14036.2 kg 式中：657.84.187为加热蒸汽的焓kj/kg 经第二液化维持罐出来的蒸煮醪量为：设经第二液化维持罐出来的蒸煮醪温度由416k降低到393k,此处设温度降低是通过汽化解决,所以蒸煮醪汽化后的量为：14036.2-14036.23.57416-393/2205.2=13513.6kg 式中,2205.2为393k时水蒸气的汽化潜热kj/kg 经喷射混合加热器后的蒸煮醪的量为：设经喷射混合加热器后的蒸煮温度由393k上升到398k,所以喷射混合后蒸煮醪的量为：13513.6+13513.63.57398-393/657.84.187-4.187=13621.7kg 式中：657.84.187为加热蒸汽的焓kj/kg；398k为灭酶温度 经最后一个后熟罐出来的醪液量为：经最后一个后熟器后。醪液温度由398k降低到384k,若温度降低是由热损引的,醪液量不变；此处设为通过汽化降温,所以降温后的醪液量为：3.60398-384/22346=13591.0kg注：参见公式,即根据热量衡算：参见化工原理p335天津大学出版社20XX新版,下同式中,22346为384k时水蒸气的汽化潜热kj/kg 经真空冷却器后最终蒸煮醪量为：13591.0-13591.03.64384-340/5584.187=12659.3kg式中：真空冷却器二次蒸汽汽化潜热24 糖化醪与发酵醪量计算发酵过程中相应的过程释放的CO2总量为：100092.41%/98%44/46=902kg式中：44/46指的是产生一分子酒精就产生一分子CO2,即理想发酵情况下。所以最终需要蒸馏的醪液中含酒精约为： 100092.4%/100%=7.86%质量分数 由上计算可知发酵结束后成熟醪焓酒精约7.86%质量分数。并设蒸馏效为98%,而且发酵罐酒精捕集器回收酒精洗水和洗罐用水分别为成熟醪量的5%和1%,则生产1000kg95%国际酒精成品的有关计算如下：需蒸馏成熟发酵醪的量为：F1=12659.3-902/98% 100=12717.0kg不计酒精捕集器回收酒精洗水和洗罐用水,可设发酵过程中则成熟发酵醪量为：F2=12659.3-902=11757.3kg接种量按10%计算,则酒母量为：12659.310%=1265.9kg 注：设计要求最后醪液91%用于发酵,9%用于酒母制作,相当于9/9110%25成品与发酵醪量计算 醛油含量次级酒精：本次设计要求不得含有次级酒精 食用酒精产量：1000kg 杂醇油产量：杂醇油产量一般为酒精产量的0.3%-0.7%,据本次设计要求,取0.5%,所以生产1000kg要求酒精杂醇油产量为：10000.5%=5kg废醪量的计算：废料醪糟是成熟发酵醪进入蒸馏塔后除去部分水和酒精及其他挥发性成分的残留液,由于是使用直接蒸汽加热蒸馏,所以应该又加上入塔的加热蒸汽冷凝水。设进塔醪液量为F1 的温度为t1=70,排除废醪温度为t4=105,成熟醪固形物浓度为B1=7.5%,塔顶上升酒气的乙醇浓度为50%v/v,即47.18%质量分数,则：醪塔上升蒸汽量为： V1=12717.07.86%47.18%=2118.6kg残留液量为： WX=12717.0-2118.6=10598.4kg 成熟醪的比热容为：C1=4.187 B1=3.96KJ/KG.K成熟醪带入塔的热量为： Q1= F1 C1 t1=12717.03.9670=3.53106KJ蒸煮残液固形物浓度为： B2= F1 B1/ WX =12717.07.5%/10598.4=9.0%由于是间歇蒸馏,故没有加热蒸汽冷凝水的工艺。蒸馏残留液的比热容为：C2=4.187=4.04 KJ/Kg.K塔底残留液带走的热量为:Q4= WX C2t4=10598.44.04105=4.50106KJ上升蒸汽带走的热量为：查表得50%体积分数酒精蒸汽焓为i=1965kj/kg,故上升蒸汽带走的热量为： Q3=V1i=2118.61965=4.16106KJ塔底采用0.05Mpa表压蒸汽加热,焓为2689.8kj/kg；蒸馏过程热损失Qn可取为传递总热量的1%,根据热平衡计算,可得消耗的蒸汽量为： D1=/I-Cwt4 =1.01/ =2302.6kg肉采用直接蒸汽加热,则塔底排除醪量为：WX + D1=10598.4+2302.6=12901.0kg3根据要求实际原料耗算一览表因计算方便,上面计算的是生产1000kg要求酒精相关数据,实际生产80000t酒精则进行放大,因取的基础数据如比热容都一样,所以对结果没有影响,下表则是1000kg酒精和放大后80000t酒精相关数据一览表：计算结果和相关数据和放大数据一览表1000kg酒精相应用量产量80000t酒精相应用量产量生产95%V成品酒精所需淀粉总量1627.2130176.0t生产成品酒精需要淀粉量计淀粉损失后1779.3142344.0t需要薯干原料量2737.40.75=2052.8164224t需要玉米原料量2616.60.25=654.2 52320t3/4来自薯干、1/4来自玉米的上食用酒精总淀粉原料为2907.2kg232576t-淀粉酶的消耗量10.8kg864t糖化酶的消耗量20.3kg1624t酒母糖化酶的消耗量2.8kg244t硫酸铵的消耗量1.3kg104t粉浆量12181.5kg974520t经加热蒸汽喷射液化过后的醪液量14036.2kg1122896t经第二液化维持罐出来的蒸煮醪量为13513.6kg1081088t经喷射混合加热器后的蒸煮醪的量13621.7kg1089736t经最后一个后熟罐出来的醪液量13591.0kg1087281t经真空冷却器后最终蒸煮醪量12659.3kg1012744t计酒精捕集器回收酒精洗水和洗罐用水需蒸煮的成熟发酵醪量12717.0kg1017360t入蒸馏塔的混合成熟醪的乙醇浓度7.86%质量分数7.86%质量分数相应的过程释放的CO2总量902kg72160t接种量按10%计算酒母量1265.9kg101272t杂醇油产量5kg400t醪塔上升蒸汽量2118.6kg169488t残留液量10598.4kg 847872t成熟醪的比热容3.96KJ/KG.K3.96KJ/KG.K成熟醪带入塔的热量3.53106KJ282.4106KJ蒸煮残液固形物浓度9.0%9.0%蒸馏残留液的比热容4.04 KJ/Kg.K4.04 KJ/Kg.K塔底残留液带走的热量4.50106KJ360106KJ上升蒸汽带走的热量4.16106KJ332.8106KJ消耗的蒸汽量2302.6kg184208t直接蒸汽加热塔底排除醪量12901.0kg1032080t注：生产80000t的数据位在生产1000kg数据的基础上乘以80,单位则为t,但物质本身的性质数据除外。若固定日产量,全年生产应为80100t,即在1000kg数据的基础上乘以80.1,单位t,这里没有列出,但设计生产设备是是在日产量的条件下计算的。4 生产设备相关计算4.1 粉浆罐已知蒸煮糖化车间有两个粉浆罐,每个粉浆罐的容积为5 m。高径比为1：1.5,粉浆流量应为： 12181.511130/1000=137650.95kg=126.87m锥形部分高度为圆筒部分高度的1/3。故总容积V有 V = V1 + V2 = H + 1/3 h D圆筒部分的直径m；H圆筒部分的高度m；h圆锥部分的高度m,由此可得：D=2.43m H=1.62m h=0.54设调浆时间为3min,则有效流量为：V有效=126.873/60=6.34m若按要求取5m的粉浆罐,则需要台数为： n0=6.34/5=1.3=2若要进行交替使用,则至少要3台。4.2蒸煮锅和后熟器由于后熟的时间比蒸煮时间短,所以这里取蒸煮锅计算。蒸煮锅和后熟器的体积是相等的,每小时生产11130kg的酒精对应经过喷射加热后的醪液量,即流量为14036.211130/1000=156182.8kg=143.95m物料有效流量为流量乘以逗留时间,又蒸煮时间是2h,所以醪液有效流量应为：V有效