安徽工贸职业技术学院毕业论文
A n h u i Vo c a t i o n a l& Te c h n i c a l C o l l e g e o f I n d u s t r y&Tr a d e
毕业论文
医用酒精的高浓度淀粉酒精发酵
High concentration starch alcohol
fermentation alcohol
所在系院：化学工程系
专业班级：应用化工技术
学生学号： 2011450205
学生姓名：黄永成
指导教师：刘雪英
年月日
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摘要
酒精在人们日常生活以及科学研究等诸多领域都有很广泛的应用。世界酒精行业以及我国酒精行业都呈现快速发展趋势，产量逐年递增。发酵法生产酒精的能力将成为一个国家经济实力的标志。发酵法主要是利用微生物无氧发酵，将含糖物质如，甘蔗，甘薯，玉米等物质内的糖类转化为乙醇，生成酒精。此法原料来源丰富，生产过程环保，值得大力推广。本设计对酒精生产的发酵车间进行了计算和设备选型，力求理论和实践相结合。
关键词：酒精；发酵法；发酵车间
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Abstract
Alcohol has very extensive application in a great deal of fields such as people's daily life and scientific research. The trades and alcohol trades of our country have fast development trends on earth in the world. The output is increased progressively year by year. The ability for producing alcohol of the fermented law will become the sign of a national economic strength. The fermented law is mainly to utilize microorganism to have no oxygen to ferment, it suck candy material like,sugarcane, sweet potato, carbohydrate in the material such as the maize are turned into ethanol, turn into alcohol. This law raw material sources are abundant , the environmental protection of the production process, is worth popularizing in a more cost-effective manner. Originally design the fermented workshop produced to alcohol to calculate with the selecting type of the apparatus , strive to make the theory combine with practice.
Keywords:Alcohol;Fermented law;Fermented workshop
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目录
摘要 ........................................................................................................................ I Abstract...................................................................................................................... I I 前言 ..................................................................................................................... III 第一章概述.. (1)
1.1 各种原料及蒸煮糖化发酵方案的比较 (1)
1.2 连续蒸煮与间歇蒸煮的分析比较 (1)
1.3 连续糖化与间歇糖化的分析比较 (1)
1.4 间歇发酵与连续发酵的分析比较 (1)
1.5 设计方案 (2)
1.5.1 工艺流程及控制条件 (2)
第二章物料衡算 (3)
2.1 物料衡算的内容 (3)
2.2 工艺技术指标及基础数据 (3)
2.3 原料消耗的计算 (3)
2.4 蒸煮醪量的计算 (5)
2.5 糖化醪与发酵醪量的计算 (7)
2.6 成品与废醪量的计算 (8)
2.7 50000吨/年医用酒精厂总物料计算 (10)
2.8 物料衡算表 (10)
第三章热量衡算与水衡算 (12)
3.1 蒸煮工段加热蒸汽消耗量 (12)
3.2 糖化醪后冷却用水量 (12)
3.3 酒精捕集器用水 (12)
3.4 洗罐用水量 (13)
3.5 热量衡算与水衡算表 (13)
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第四章主要设备的计算与设计 (14)
4.1 粉浆罐和预煮罐的计算 (14)
4.2 加热器的计算 (14)
4.3 连续蒸煮器的计算 (16)
4.4 后熟器的计算 (16)
4.5 汽液分离器的计算 (17)
4.6 真空冷却器的计算 (17)
参考文献 (19)
致谢 (20)
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前言
酒精作为食品、医用以及化工原料，一直是我国发酵行业的主要产品，用微生物发酵生产酒精的历史悠久，此外，随着人民的环保意识不断加强，被誉为可再生绿色能源燃料的酒精，由于其燃烧污染小、容易运输和贮藏在价格上也可以与汽油相竞争，因此，酒精最有可能成为取代石油的新能源，具有巨大的开发前景[1]。
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。
高浓度酒精发酵是指提高单位体积内发酵醪液中的淀粉含量，在适量的酿酒酵母菌作用下，在一定的时间内力求得到最多的发酵终产物酒精,高浓度发酵有以下优点：单位设
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备的生产率提高，降低能耗 [2]。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。而淀粉质原料甘薯和木薯等薯类原料含淀粉量高，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[3]，是被誉为“淀粉之王”。薯干加工性能良好，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[4]，具有广阔的发展前景。
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第一章概述
1.1 各种原料及蒸煮糖化发酵方案的比较
我国甘薯种植广泛，产量大，价格低，木薯和马铃薯的种植面积都不大，此外谷物类原料是人民生活的主要粮食，一般情况下少用或不用，而且，甘薯作为原料具有加工方便、出酒率高等特点，因此它是原料中使用最广泛的一种原料[5]，一般用的都是甘薯干。
1.2 连续蒸煮与间歇蒸煮的分析比较
间歇蒸煮：蒸汽消耗量大，设备利用率低，但是设备简单，容易掌握[6]，投资少。
连续蒸煮：淀粉利用率高，热能利用率高，设备利用率高，劳动生产率高，但是投资较大。
1.3 连续糖化与间歇糖化的分析比较
间歇糖化：每次都要装料、进料和清洗等的非生产时间[7]，后冷时间长，因而设备利用率低；冷水用量大，电力消耗大；糖化醪的后冷却是在敞开空间进行，增加染菌机会。
连续糖化：各项工艺管理实现了自动控制或集中操作，减少了劳动力，降低了劳动强度改善了劳动条件；消除每次都要装料、进料和清洗等的非生产时间，又大大缩短了后冷时间，因而设备利用率得到提高；由于冷却效率的提高和冷却时间的缩短，可节约冷水用量，相应地也节约电力；糖化醪的后冷却是在密闭空间流动[8]，一面糖化，一面冷却，可以减少染菌机会。
1.4 间歇发酵与连续发酵的分析比较
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[9]。
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，
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便于自动化控制，缺点是对无菌条件要求严格。
1.5 设计方案
综上所述，设计可以采用薯干为原料，采用柱式连续蒸煮糖化（双酶糖化）、间歇发酵的方法生产医用酒精；由于传统酒精生产中自培酒母，过程繁杂，容易染菌，影响生产，所以本方案采用活性干酵母可以克服上述弊端。
1.5.1 工艺流程及控制条件
本设计采用柱式连续蒸煮糖化方法[10]。其中蒸煮柱采用柱式连续蒸煮长圆筒形蒸煮柱，蒸煮时仅在粉浆加热器通入蒸汽，先后通过三个蒸煮柱，两个后熟器，后进入气液分离器及真空冷却器，从真空冷却器出来后进入糖化罐[11]，糖化醪进行后冷却后送往发酵罐。
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第二章 物料衡算
2.1 物料衡算的内容
衡算内容包括薯干，高温淀粉酶，糖化酶，硫酸氨，蒸煮醪，糖化醪，发酵醪，废醪，成品，副产品，杂醇油，二氧化碳等。 2.2 工艺技术指标及基础数据
产品规格：95%医用酒精；全年生产天数：280天/年 生产方法：以薯干为原料，双酶糖化，连续蒸煮，间歇发酵
副 产 品：次级酒精（成品酒精的3%）；杂醇油（成品酒精的0.6%） 原 料：薯干（含淀粉68%，水分12%） 2.3 原料消耗的计算
1淀粉原料生产酒精的总化学反应式
糖化： （C 6H 10O 5）n + nH 2O nC 6H 12O 6 162 18 180 发酵： C 6H 12O 6 2C 2H 5OH + 2CO 2 180 92 88
2 生产1000kg 无水酒精的理论淀粉消耗量
)(0.176192
162
1000kg =?
3 生产1000kg 医用酒精的理论淀粉消耗量
医用酒精的乙醇含量为95%（体积分数），相当于92.41%（质量分数），故理论上须淀粉量为：
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)(3.1627%41.920.1761kg =?
4 淀粉总损失率为9%，故生产1000kg 医用酒精实际淀粉消耗量为
)(2.1788%
9%1003
.1627kg =-
5 生产1000kg 医用酒精薯干原料消耗量
据基础数据给出，薯干原料含淀粉68%，故1000kg 酒精耗薯干量为：
)(7.262968
.02
.1788kg = 6 生产1000kg 医用酒精高温淀粉酶消耗量
应用酶活力为20000U/mL 的高温淀粉酶使淀粉液化，促进糊化，可减少蒸汽消耗量，高温淀粉酶用量按10u/g 原料计算，生产1000kg 医用酒精高温淀粉酶用量为：
)(9.131420000
10
10007.2629kg =??
7 生产1000kg 医用酒精糖化酶耗用量
所用糖化酶的活力为100000u/mL ，使用量为150u/g 原料，则生产1000kg 医用酒精糖化酶消耗量为：
)(6.3944100000
150
10007.2629mL =??
8 生产1000kg 医用酒精硫酸氨用量
硫酸氨用于酵母增值，补充氮源，则生产1000kg 医用酒精硫酸氨用量为：
)(717kg =?
9 生产1000kg 医用酒精活性干酵母用量
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采用耐高温高活性干酵母，用量为原料量的0.05%，则生产1000kg 医用酒精活性干酵母用量为：
1.3(kg)0.05%2629.7=?
10 生产1000kg 医用酒精活性干酵母复水活化2%蔗糖水用量
活性干酵母复水活化方法采用糖水复水活化[12]，用25倍量38℃-40℃的2%蔗糖水复水，15min 后将温度降至34℃以下（30℃-34℃）活化1h-3h ，即可投入发酵罐，则生产1000kg 医用酒精糖水用量
() kg 32.5251.3 =?
2.4 蒸煮醪量的计算 2.4 .1 粉浆量的计算
淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1：2.5，粉浆量为：
9204.0(kg))2.5(12629.7=+?
蒸煮过程：粉浆混合后在预煮罐中加热到t 1=65℃，后经加热器用0.5Mpa 表压直接蒸汽加热到t 2=135℃，然后陆续通过三个蒸煮柱和两个后熟器，再经气液分离器，最后经真空冷却器将温度降至t 3=63℃。 第一后熟器压力为表压0.20Mpa 第二后熟器压力为表压0.15Mpa 汽液分离器压力为表压0.02Mpa 2.4.2 蒸煮醪比热
25.1% )10088/(3.5 B 1=?=
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K)]
g 3.44[kJ/(k 4.18)25.1%-(1.01.2525.1% C )B -(1.0C B C w
1s 1 1?=?+?=?+?=
式中 w C —水的比热容[kJ/(kg ·K)]
s C —淀粉质原料干物质的比热，取1.25kJ/（kg·K ） 假定蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程维持不便。 2.4.3 经直接蒸汽加热后蒸煮醪量为：
蒸汽用量=
18
.41357.2756)
65135(44.30.9204?--?=1011.0（kg ）
蒸煮醪量=)(0.102150.10110.9204
kg =+ 式中 2756.7—加热蒸汽（0.5Mpa 表压）的焓(kJ/kg)
1经第一后熟器后蒸煮醪量为
二次蒸汽量 =
)(7.227
.2163)
6.133135(44.30.10215kg =-?
= )(3.101927.220.10215
kg =- 式中 133.6—表压0.20Mpa 对应的饱和温度
蒸煮醪量2163.7—133.6℃下饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg)
2经第二后熟器后蒸煮醪量为
二次蒸汽量=
)(7.994
.2181)
4.1276.133(44.33.10129kg =-?
蒸煮醪量=)(6.100927.993.10192
kg =- 式中 127.4—表压0.15Mpa 对应的饱和温度
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2181.4—127.4℃下饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg)
3经汽液分离器后蒸煮醪量为
二次蒸汽量=
)(7.3499
.2243)
8.1044.127(44.36.10092kg =-?
蒸煮醪量=)(9.97427.3496.10092kg =- 式中 104.8—表压0.02Mpa 对应的饱和温度 2243.9—104.8℃下饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg)
4经真空冷却器后蒸煮醪量为
蒸汽冷凝量=
)(9.5950
.2351)
638.104(44.39.9742kg =-?
蒸煮醪量=)(0.91479.5959.9742
kg =- 式中 2351.0—真空冷却温度为63℃下的饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg ) 2.5 糖化醪与发酵醪量的计算
发酵结束后成熟醪含酒精11%（v ），相当于8.83%（w ），蒸馏效率为98%，酒精捕集器回收酒精用水和洗罐用水分别为成熟醪量的5%和2%。 2.5.1 蒸馏发酵醪量为
)(5.11426100
%83.8%98)
25100%(41.9210001kg F =??++?=
2.5.2 不计酒精捕集器回收酒精用水和洗罐用水，则成熟发酵醪量为
)(0.10679%
1075
.11426kg =
2.5.3 入蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度（w ）为
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%25.85
.11426%98%
41.921000=??
2.5.4 相应发酵过程放出CO 2总量为
)(90246
44
%98%41.921000kg =??
2.5.5 活性干酵母及复活糖水总量为[1.3×（25＋1）]kg ，则糖化醪量
)(2.11547)125(3.19020.10679kg =+?-+
2.6 成品与废醪量的计算 2.6.1 次级酒精产量
次级酒精量占成品酒精的3%，则生产1000kg 成品酒精可得次品酒精量为：
()kg 30%31000=?
2.6.2 95%（v ）医用酒精产量
每生产1000kg 酒精，医用酒精产量为：
)(970301000kg =-
2.6.3 杂醇油产量
杂醇油量为成品酒精量的0.6%，则生产1000kg 成品酒精可得杂醇油量为：
)(6%6.01000kg =?
2.6.4 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，由于是使用直接蒸汽加热[13]，所以还需加上入塔的加热蒸汽冷凝水。醪塔的物料和
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热量蘅算如图所示：
V 1 Q 3=V 1I
F 1 Q 1=F 1C 1t 1
D 1 Q 5= Q 4+ D 1C w t 2 Q 2=D 1I 1 W x + D 1
设进塔的醪液（F 1）的温度t 1=70℃，排除废醪的温度t 2=105℃，成熟醪固形物浓度为B 1=7.5%，塔顶上升蒸汽冷凝后液体的乙醇浓度55%（体积分数）即47.18%（质量分数）。则：
此计算是间接加热，故没有蒸汽冷凝水的工艺。
)
(393000019651.199813kJ I
V Q =?=?= 塔底采用0.05Mpa （表压）蒸汽加热，焓为2693.4kJ/kg;又蒸馏过程热损失Q n 可取为传热总热量的1%。根据热量衡算，可得消耗的蒸汽量为： )(2133%)11()10518.44.2693(3170000400000039300002
11
43
1kg t C I Q Q Q Q D w n =-??--+=
--++= 若采用直接蒸汽加热，则塔底排出废醪量为：
)(4.1156121334.94281kg D W x =+=+
醪 塔
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2.7 50000吨/年医用酒精厂总物料计算 2.7.1 酒精成品的计算
)(6.178280
50000
t = )(5.597
3
6.178t =?
)(1.1845.56.178t =+
)/(500002806.178a t =?
)/(15402805.5a t =?
)/(51540154050000a t =+
2.7.2 主要原料甘薯干用量
)(8.4841271.1847.2629kg =?
)(6.1355557752808.484127kg =?
2.8 物料衡算表
根据以上数据，结合设计年产量为50000吨，全年生产280天的条件，可得以下物料衡算表。
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表2-1：50000吨/年淀粉原料酒精厂物料衡算表
生产1000kg医用酒精物料量（kg）每年数量
(t)
每天数量
(t)
每小时数
量
(kg)
医用酒精970 50000 178.6 7440.5 次级酒精30 1540 5.5 229.2 薯干2629.7 135555.8 484.1 20172.0 高温淀粉酶1314.9mL 67778.4L 242.1L 10.1L 糖化酶3944.6mL 203610.8L 727.2L 30.3L 硫酸氨7 360.8 1.3 53.7
蒸煮粉浆9204.0 474433.0 1694.4 70600.1 成熟蒸煮醪9147.0 471494.8 1683.9 70162.9 糖化醪11547.2 595216.5 2125.8 88573.9 蒸馏发酵醪11426.5 588994.8 2103.6 87650.0 杂醇油 6 30.9 0.1 4.6
二氧化碳902 46494.8 166.1 6920.8 废醪11561.4 595948.5 2128.4 88682.8 活性干酵母 1.3 67.0 0.2 10.0 2%蔗糖水32.5 1675.3 6.0 249.3
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第三章 热量衡算与水衡算
3.1 蒸煮工段加热蒸汽消耗量
1
W —每小时处理粉浆量
1C ——蒸煮醪比热容
I —加热（0.5Mpa 表压）蒸汽焓(kJ/kg) 3.2 糖化醪后冷却用水量 糖化醪比热：
g.K )
]3.60[k J /(k )(1?0%4.1820.0%1.25C 1=?+?= 因为每小时生成酒精（7440.5＋229.2）×92.41%=7087.6kg ，每生成1kg 酒精放出的热量为1170KJ 左右，则发酵过程冷却用水：
)
/(1.283407718.41170
6.7087)
2027(h kg C Q
m w =??=
-=
式中 Q ——发酵生物反应热[kJ/(kg.K)] w C ——水的比热容[kJ/(kg.K)]
27——冷却水出口温度（℃） 20——冷却水进口温度（℃）
3.3 酒精捕集器用水
)/(8.4095%1070
.87650%5%5%21%5h kg F
m =?=
++=
式中 F ——蒸馏发酵醪量(kg/h)
5%—酒精捕集器回收酒精洗水占成熟发酵醪量的比例
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2%—发酵罐洗罐用水占成熟发酵醪的比例 3.4 洗罐用水量
)/(2.819%1070.87650%1%5%21%1h kg F m =?=++=
3.5 热量衡算与水衡算表
表3-1热量衡算与水衡算表
每小时消耗量（kg/h ）
每天消耗量（t/h ）
蒸煮工段加热蒸汽消耗量 7754.3 186.1 糖化醪后冷却用水量 130699.5 3136.8 发酵过程冷却用水 283407.1 6801.8 酒精捕集器用水 4095.8 92.3 洗罐用水量 819.2
19.7