淀粉质原料酒精厂总物料衡算(共13页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上目 录1前言据统计,全世界每年的石油消耗量为200亿桶,比发现的石油多50亿桶。石油不断减少，全球的消耗量却不断增加。尤其我国最近几年经济快速发展，石油消耗也快速增加。并且中国充满爆发力的石油需求一直被视为近两年来国际油价大涨的关键因素。目前中国已取代日本成为全球第二大石油消耗国（仅次于美国），预估10年内中国的石油需求将从目前的每日600万桶膨胀近一倍至1150万桶。十年前中国进口石油占整体石油需求的比例才6%，现在已经提高到三分之一，到2020年预期将有60%的石油都必须来自进口。石油燃烧带来许多环境问题，其燃烧产物为硫化物和氮化物。硫氧化物对人体的危害主要是刺激

2、人的呼吸系统，吸入后诱发慢性呼吸道疾病，甚至引起肺水肿和肺心性疾病。如果大气中同时有颗粒物质存在，颗粒物质吸附了高浓度的硫氧化物、可以进入肺的深部，就会大大地加大危害程度。石油燃烧产生的氮的氧化物和硫的氧化物在高空中为雨雪冲刷，溶解，雨成为了酸雨;这些酸性气体成为雨水中杂质硫酸根、硝酸根和氨离子，会严重污染土壤以及水体，造成生态的失衡。与此同时，石油消耗大量增加，也增加了我国石油安全系数。而燃料酒精正可以缓解这些问题。因为酒精生产技术人类已经非常娴熟，人类的文明史就是酒精的发展史。自从有了人类文明便有了酿酒技术。酒精发酵是指在无氧条件下，微生物（如酵母菌）分解葡萄糖等有机物，产生酒精、二氧化碳

3、等不彻底氧化产物,同时释放出少量能量的过程。在生产过程中需要大量的生物技术。比如：需要基因工程得到即能提高生产酒精效率又可以用纤维素作为原料而生产酒精的酵母菌，用酶工程生产可直接将纤维素转化为酒精的人造酶等等。发酵法生产酒精原料主要有淀粉质原料，糖蜜原料和亚硫酸盐造纸废液等。而淀粉质原料木薯含淀粉量高，木薯的块跟淀粉含量达25-30左右，木薯干淀粉含量达70左右，是被誉为“淀粉之王”。木薯加工性能良好，也不与粮食争地，是一种有很大发展潜力的酒精生产再生资源，将其应用到发酵酒精工业，具有广阔的发展前景。本设计简述了从木薯原料预处理、液化、酶糖化到发酵生产后处理整个发酵酒精生产工艺流程中的物料、水

4、平衡、热量等衡算。（上文根据参考文献1）2酒精发酵的原理2.1酶水解生产中多采用酶水解法。许多种微生物，如细菌、曲霉等能产生淀粉酶。淀粉酶水解淀粉的过程是先使淀粉水解成麦芽糖，再由麦芽糖酶作用，生成葡萄糖。其总的反应式如下：（C6H10O5）n + H2O 淀粉酶 C12H22O11 麦芽糖酶 C6H12O6 淀粉 麦芽糖 葡萄糖淀粉酶的种类较多，主要有以下几种：(1)、-淀粉酶（液化酶、液化型淀粉酶）可将直链淀粉水解成含6个葡萄搪分子的单位。它对支链淀粉的-1，6糖苷链不起作用，但能越过此键，从分于内部水解-1，4 糖苷链，故支链淀粉的水解产物中除6个葡萄糖分子的单位以外，还有短链的分支。这

5、些小分子化合物统称为糊精。淀粉被水解后，粘度下降，表现为液化。(2)、-淀粉酶（糖化酶、糖化型淀粉酶）它的作用方式是从淀粉分子的非还原端开始，每次分解出一个麦芽糖分子，它可将直链淀粉彻底水解为麦芽糖。但也不能作用于-1，6糖苷键，而且不能越过此键。因此，当分解支链淀粉时，遇到分枝点的-1，6糖苷键时，就停止作用，留下较大分子的极限糊精。(3)、葡萄糖淀粉酶（-淀粉酶）它自淀粉分子的非还原端开始，每次分解出一个葡萄糖分子，但也不能分解支链淀粉的-1，6糖苷键。(4)、异淀粉酶（R酶）它专门水解-1，6糖苷键。它和上述三种淀粉酶联合作用时可将淀粉彻底水解成麦芽糖和葡萄糖。2.2 酒精发酵酵母菌在厌

6、氧条件下可发酵己糖形成酒精（乙醇）。酵母在没有分子态氧和氧化酶参与作用，即厌氧的条件下，呼吸基质不彻底氧化，最终的氢受体不是分子氧，而是某种中间代谢产物，其反应的过程如下： C6H12O6 + 2A 2CH3COCOOH + 2(A-2H) 丙酮酸2CH3COCOOH 2CH3CHO + 2CO2 乙醛2(A-2H) + 2CH3CHO 2CH3CH2OH + 2A总反应式为：C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2 + Q1mol葡萄糖可产生2mol酒精，即80克葡萄搪可产生92g酒精，得率为51.5。可是，酵母干重的累积约为利用碳水化合物的2 %，同时2的碳水化合物用于形成甘油，0

7、.5的碳水化合物用于形成有机酸（主要是琥珀酸）和0.2用于形成杂醇油（高级醇），因此，实际上糖只有47转化成酒精。一般100kg纯淀粉生产93浓度酒精的理论值是60.54kg。3目前酒精发酵方式的比较3.1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。3.2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，

8、便于自动化控制，缺点是对无菌条件要求严格。3.3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。指主酵期采用连续发酵而后酵期采用间歇发酵。其优点是节约酒母，设备利用率较间歇发酵有所提高，缺点是对无菌要求较为严格。（此段根据参考文献2）4酒精厂全厂总物料衡算4.1全场物料衡算主要内容淀粉原料酒精厂的物料衡算包括两部分，第一部分是生产过程全厂总物料衡算，主要计算内容有：(1)原料消耗的计算，主要原料为薯干，其他原料有淀粉酶、糖化酶、硫酸、硫酸铵等。(2)中间产品 蒸煮醪、糖化醪、酒母醪、发酵醪量等。(3)成品、副产品以及废气、废水、废渣即酒精、杂醇油、二氧化碳和费糟等。4.2工艺流程示意图生

9、产工艺采用双酶法糖化、间歇发酵和三塔蒸馏流程。如图一所示。4.3工艺技术指标及基础数据(1)生产规模 15000t/a酒精。(2)生产方法 双酶糖化、间歇发酵、三塔蒸馏。(3)生产天数 每年300天。(4)食用酒精日产量 50t。(5)食用酒精年产量 15000t。(6)副产品年产量 次级酒精占酒精总量2%。(7)杂醇油量 为成品酒精量的0.5%。(8)产品质量 工艺要求食用酒精 乙醇含量93%（体积分数）。(9)薯干原料含淀粉65%，水分13%。(10)淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为15u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量300u/g原料。(11)硫酸铵用量7kg/t（酒精）。(12)硫

10、酸用量（调pH用）5kg/t（酒精）。4.4原料消耗的计算(1)、淀粉原料生产酒精的总化学反应式为：糖化：（C6H10O5）n+ nH2O nC6H12O6 （1） 162 18 180发酵：C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 （2） 180 462 442(2)、生产1000kg无水酒精的理论淀粉消耗量由（1）、（2）式可求得理论上生产1000kg无水酒精所耗的淀粉量为：1000（162/92）=1760.9（kg）(3)、生产1000kg国标食用酒精的理论淀粉消耗量 国标食用酒精的乙醇含量在93%（体积分数）以上，相当于89.64%（质量分数），故生产1000kg食用酒精成品理论

11、上需淀粉量为：1760.989.64%=1578.5（kg）(4)、生产1000kg食用酒精实际淀粉耗量 实际上，整个生产过程经历原料处理、发酵及蒸馏等工序，要经过复杂的物理化学和生物化学反应，产品得率必然低于理论产率。据实际经验，各阶段淀粉损失率如表1所示。假定发酵系统设有酒精捕集器，则淀粉总损失为8.55%。故生产1000kg食用酒精需淀粉量为：1578.5/（100%8.55%）=1726.1（kg）这个原料消耗水平相当于淀粉出酒率为1000/1726.1=57.9%，这达到了我国现阶段薯干原料生产酒精的先进出酒率水平。(5)、生产1000kg食用酒精薯干原料消耗量据基础数据给出，薯干原

12、料含淀粉65%，故1t酒精耗薯干量为：1726.1/65%=2655.5（kg）若应用液体曲糖化工艺，并设每生产1000kg酒精产品需要的糖化剂所含量为G1，则薯干原料需用量减为:（1726.1-G1）/65%(6)、淀粉酶消耗量应用酶活力为2000u/g的淀粉酶使淀粉液化，促进糊化，可减少蒸汽消耗。淀粉酶用量按8u/g原料计算。用酶量为：（2655.58）/2000=10.62（kg）(7)、糖化酶耗量 若所用糖化酶的活力为20000u/g，食用量为150u/g原料，则糖化酶消耗量为：（2655.5150）/20000=19.9（kg）此外，酒母糖化酶用量按300u/g（原料）计，且酒母用量

13、为10%，则用酶量为：2655.510%70%（300/20000）=2.79（kg）式中70%为酒母的糖化液占70%，其余为稀释水与糖化剂。(8)、硫酸铵耗用量 硫酸铵用于酒母培养基的补充氮源，其用量为酒母量的0.1%，设酒母醪量为G0，则硫酸铵耗量:0.1%G0。表1 生产过程各阶段淀粉损失生产过程损失原因淀粉损失备注原料处理粉尘损失0.4根据参考文献3选取蒸煮淀粉残留及糖份破坏0.50根据参考文献3选取发酵发酵残糖1.50根据参考文献3选取发酵巴斯德效应4.00根据参考文献3选取发酵酒汽自然蒸发与被CO2带走1.30若加酒精捕集器，此项损失降为0.30%蒸馏废糟带走等1.85根据参考文献

14、3选取总计损失9.55计算所得4.5蒸煮醪量的计算根据生产实践，淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1:3，故粉浆量为：2655.5（1+3）=10622（kg）蒸煮过程食用直接蒸汽加热，在后熟器和汽液分离器减压蒸发、冷却降温。在蒸煮过程中，蒸煮醪量将发生变化，故蒸煮醪的精确计算必须与热量衡算同时进行， 因而十分复杂，为简化计算，根据参考文献3选取可按下述方法近似求解。假定用罐式连续蒸煮工艺，混合后粉浆温度为50，应用喷射液化器使粉浆驯熟升至88，然后进入罐式连续液化器液化，再经115高温灭酶后，在真空冷却器中闪急蒸发冷却至63后入糖化罐。其工艺流程示意图如图二所示。干物质含量B0=87%的薯干比热

15、容为：c0=4.18（1-0.7B0）=1.63kJ/(kgK)粉浆干物质浓度为：B1=87/（4 100）=21.8%蒸煮醪比热容为：c1= B1c0+（1.0-B1）cw =21.81.63+（1.0-21.8）4.18 =3.62kJ/(kgK)式中cw水的比热容kJ/(kgK)为简化计算，假定蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程维持不变。(1)、经喷射液化器加热后蒸煮醪量为：式中2748.9喷射液化器加热蒸气（0.5MPa）的焓（kJ/K）(2)、经过第二液化维持罐出来的蒸汽醪量为：式中2288.3第二液化维持罐的温度为84下饱和蒸汽的汽化潜热（kgK）(3)、经喷射混合加热后的蒸煮醪量为：式

16、中115灭菌温度（）式中 2748.90.5MPa饱和蒸汽的焓（kJ/K）(4)、经气液分离器后的蒸煮醪量：式中2245104.3下饱和蒸汽的汽化潜能（kJ/K）(5)、经真空冷却器后最终蒸煮醪液量为：式中2351真空冷却温度为63下的饱和蒸汽的汽化潜能（kJ/K）4.6糖化醪和发酵醪量的计算 设发酵结束后成熟醪量含酒精你10%（体积分数），相当于8.01%(质量分数)。并设蒸馏效率为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1000kg93%（体积分数）酒精成品的有关计算如下：(1)、需蒸馏的成熟发酵醪量为：(2)、不计酒精捕集器和洗罐用水，则成熟发

17、酵醪量为：(3)、入蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度（质量分数）为：(4)、相应发酵过程放出CO2总量为：(5)、接种量按10%计，则酒母醪量为：(6)、糖化醪量 酒母醪的70%是糖化醪，其余为糖化剂和稀释水，则糖化醪量为： 4.7成品与发酵醪量的计算 (1)、醛酒质量 在醛塔取酒一般占成品酒精的1.2%3%，在保证主产品质量合格的前提下，醛酒量取的越少越好。设醛酒量占成品酒精的2%，则生产1000kg成品酒精可得次品酒精量为： (2)、食用酒精产量 没生产1000kg酒精，其食用酒精的产量为： (3)、杂醇油产量 杂醇油通常为酒精产量的0.3%0.7%,取平均值0.5%，则淀粉原料生产1000kg酒精

18、副产杂醇油量为： (4)、废醪量的计算 废醪量是进入蒸馏塔的成熟发酵醪减去部分水和酒精成分以及其他挥发组分后的残留液。此外，由于馏塔是使用直接蒸汽加热，所以还需加上入塔的加热蒸汽冷凝水。馏塔的物料和热量衡算如图三所示。 设进塔的醪液（F1）的温度t1=70,排出废醪的温度t4=105：成熟醪固形物浓度为B1=7.5%，塔顶上升酒汽的乙醇浓度50%（体积分数）即47.18%（质量分数）。则：1)醪塔上升蒸汽量为：V1=12105（7.56%47.18%）=1940（kg）2)残留液量为：Wx =12105-1940=10165（kg）3)成熟醪比热容为： c1=4.18（1.019-0.95B1

19、） =4.18（1.019-0.937.5%） =3.97kJ/(kgK)4)成熟醪带入塔的热量为： Q1=F1c1t1=121053.9770=3.36 (kJ)5) 蒸馏残留液固形物浓度为： B2= F1B1/Wx=121057.5%10165=8.93% 此计算时以间接加热，故没有加热蒸汽冷凝水的工艺。6)蒸馏残留液的比热容为： c2=4.18(1-0.378B2)=4.03kJ/(kgK)7)塔底残留液带出热量为： = Wxc2t4=101654.03105=4.30(kJ)查附录得50%（体积分数）酒精蒸汽焓i=1965kJ/kg,故有：8)上升蒸汽带出热量为： Q3=V1i =19

20、401965=3.81 (kJ)塔底采用0.05MPa（表压）蒸汽加热，焓为2689.8 kJ/kg；又蒸馏过程热损失Qn可取为传递总热量的1%。根据热量衡算可得消耗的蒸汽量为：若采用直接蒸汽加热，则塔底排出废醪量为： Wx+D1=10165+2132=12297kg)4.8 15000t/a淀粉原料酒精厂总物料衡算前面对淀粉原料生产1000kg酒精（93%）进行了物料平衡计算，以下对15000t/a薯干原料酒精厂进行计算。（1）酒精成品日产食用酒精量为：15000300=50（t）日产次级酒精量为50（2/98）=1.02（t）日产酒精总量为51.02（t）实际年产量为：食用酒精量为5030

21、0=15000（t/a）次级酒精量为1.02300=306（t/a）酒精总产量为15306（t/a）（2）主要原料署干用量 日耗量：2655.551.02=（kg） 年耗量：300=（kg）=40645.2(t)醪塔Q =F C t111F1112Q =D IQ =V i311QnQ=Q+Dt4414W+Dx1淀粉酶，糖化酶用量以及蒸煮粉浆量，糖化醪，酒母醪，蒸馏发酵醪等每日量和每年量均可算出，衡算结果详见下表2：表2 15000 t/a淀粉原料酒精厂物料衡算表 物 料生产1000kg93%酒精物料量（kg）每 小 时 li 量（kg）每 天 数 量 （t）每 年 数 量 （t）食用酒精980

22、20835015000次品酒精2042.51.02306薯干原料2655.55645135.48440645.2淀粉酶10.6222.60.542162.5糖化酶22.6948.21.157347.2硫酸铵1.122.380.05717.1硫 酸5.010.60.25576.5蒸煮粉浆1062222572541.7.6成熟蒸煮醪1078322914550糖化醪1195925413610酒母醪1117.723755717101蒸馏发酵醪1210525723617.4杂醇油510.60.25576.55.小结本次设计是在黄老师的悉心指导和我们组成员的共同努力下完成的。在这次设计中我们学到了很多东西

23、。首先我们学会了合作，常言道“三个臭皮匠顶个诸葛亮”,在做设计的过程中，我们分为几个组，各个组负责不同的部分，大家先是分别查阅相关资料，然后汇总在一起，一起讨论设计过程中的错误和不足，在大家的共同努力下，我们终于大致完成了整体的设计。其次，在做设计之前我们查阅很多相关资料,这不仅丰富了我们的专业知识，也让我们学会了如何利用各种工具查阅资料。再次，通过具体地设计和计算，让我们掌握了酒精生产的全部过程以及物料衡算过程。只有通过自己的亲身实践，我们才能更好地掌握相关的知识。设计的选题，设计的指导直至设计的完成始终凝结着老师的心血，老师严谨的治学作风和执着的敬业精神在潜移默化地教诲我们，在学习上给我们的指导将让我们终生收益。在设计过程中，大家互相帮助，一起讨论，这在无形之中培养了大家的知识应用能力和团队合作精神。当然由于我们的水平有限且时间仓促，设计过程中难免出现错误。我们诚恳的希望老师能够批评指正，因为只有这样我们才能有更大的提高。在这里再一次感谢一直指导我们的老师，正是因为有你们的悉心指导我们才能在有限的时间内完成这次大型作业！6.参考文献1 梁世中 主编. 生物工程设备M. 北京：中国轻工业出版社，2011.12吴思芳 主编. 发酵工厂工艺设计概论M. 北京：中国轻工业出版社，2006.73郑裕国 主编. 生物工程设备M. 北京：化学工业出版社，2007专心-专注-专业