酒精 发酵工程课程设计
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长春工业大学化学与生命科学学院生物技术(工程)专业
《发酵工程与设备》课程设计说明书
一、总论
1.1 概述
中国的酒精工业始于1900年黑龙江省哈尔滨市,虽经1900~1949年月50年的演变和设备技术的发展,但全国酒精总产量还不到1万吨。1949~2000年,中国的酒精产量迅速增长到300万吨,跃居世界第三位。新中国成立后,历经50年的发展,初步形成了企业生产、工程设计、科学研究、人才培养、设备制造综合利用、环境保护、标准制定、检验检测、成品运输、产品销售等一个完整的酒精工业体系。中国现有发酵法酒精生产能力已达500万吨,其中年产5万吨以上的企业10家(最大的华润酒精有限公司年产24万吨)、3万吨级的企业20家、万吨级的企业70家。中国酒精产业虽然有专业厂200家,设有酒精车间的企业700家,总体上看,生产规模小、生产技术落后的小型酒精企业的数量还很多。
酒精的化学名称是乙醇,分子式C2H5OH,相对分子质量46.07.分析纯级的无水乙醇是无色透明、易挥发、具有特殊芳香和强烈刺激味的易燃液体等性质。
酒精的用途俺需求量多少可分为三方面:用量最大的燃料酒精;调制酒精饮料用的食用酒精;化工医药用酒精。
目前中国酒精产品以食用酒精(GB 10343—2002)为主产品,此外还有一定产量的高纯度酒精、化学试剂用无水酒精、化学试剂95%分析纯酒精和工业酒精等。中国发酵法生产酒精的原料主要是玉米、小麦、大米、薯类、糖蜜等,陈化粮也开始有一定比例的使用。
中国酒精的快速发展是从20世纪90年代开始的近事多年。2002年9月1日开始实施的食用国家标准(GB 10343—2002)标志着中国酒精生产的质量水平已基本接近国际上发达国家酒精标
准。
发酵法生产酒精的能力将成为一个国家经济实力的标志。因为作为可再生能源的酒精,在经历一个多世纪的发展中,始终与能源密切相关,特别是巴西从1975年久开始的以甘蔗、糖蜜为原料生产酒精的成功实践,提醒各国政府:10%以上的能源添加储备在自己的国土上。
一个国家,尤其是石油资源匮乏的国家如果能自主解决10%以上的能源添加,对发展本国经济、维持国家安定将起到极其重要的作用。垄断石油资源、争取石油资源造成的两次石油危机,两次伊拉克战争均与石油有直接关系。
现在可以说石油和用于乙醇发酵的谷物等原料都源于太阳能的储备。发酵法生产乙醇比石油更有优势的地方是发酵法效率高,其原料年年种、年年收,不用像开采石油那样投资巨大。根据当今农业、酒精生产能力、改造汽油发动机和柴油发动机的能力,相信不久的将来,一个良性循环的能源资源将更多地出现在世人面前。
1.2 设计依据
1.2.1 长春工业大学生物技术(工程)课程设计指导书。
1.2.2 长春工业大学生物技术(工程)课程设计任务书。
1.2.3 《发酵工程与设备》、《发酵工艺原理》、《发酵工厂工艺设计概论》、《化工工艺设计手册》及生物技术(工程)专业基础理论课本等参考资料。
1.3设计指导思想
1.3.1尽量采用先进的生产技术与设备,认真吸取和借鉴国内外各种产品生产的成熟新工艺、新技术、新设备。
1.3.2 合理利用资源,节约能源,降低消耗指标。
1.4 设计范围
1.4.1确定工艺流程及生产操作条件
1.4.2工艺及主要设备计算(物料衡算、设备计算)
1.4.3绘制生产工艺流程图
1.4.4编制课程设计说明书
二、生产工艺
2.1产品产量及方案
产量:年产酒精61000吨
产品品种:含乙醇95%(V)相当于92.41%(W)食用酒精
2.2生产方法的选择
工艺方法:利用玉米为原料,双酶糖化,添加酒精酵母连续发酵、三塔蒸馏的工艺是目前最成熟、最典型的生产工艺。
酒精生产工艺流程简图:
α-淀粉酶糖化酶酒母醪
↓↓↓
玉米→粉碎→调浆→连续蒸煮→蒸煮醪冷却→糖化→糖化醪冷却→连续发酵→
↑↓
排醛废水 CO2回收
↑↑
成熟发酵醪→粗馏→醛塔→精馏→成品酒精
↓↓
废糟杂醇油
↓
DDGS(全价干酒糟)
2.3主要工艺参数
年生产天数:300
玉米含水:15%
玉米粉产率:87%
玉米含淀粉:63%
玉米淀粉实际出酒率:53%
发酵周期:55-60h
原料粉碎度:1.5-2.5 mm
原料加水比:1:3
α-淀粉酶用量:5-6u/g原来蒸煮温度:90-110℃
蒸煮时间:100 min
糖化酶用量:100-150u/g原料糖化温度:58~60℃
糖化时间:45 min
糖化醪固形物浓度:16~18% 糖化醪PH值:4.0~4.5
接种量:10%~20%
稀释速度:0.05~0.1
发酵温度:31~33℃
发酵罐装料系数:85~90%
发酵醪酒精浓度:8~10%(V)
2.4物料衡算
三、设备选择
3.1主要工艺设备选型计算 (1)发酵罐容积计算
糖化醪流量108.4t/h ,醪液比重为1.07,则糖化醪体积流量为:
F=108.4/1.07=101.3 m 3/h
采用多罐连续发酵工艺,双罐流加法,即预发酵罐和罐组首罐流加糖化醪,预发酵罐流加量为总量的17%,控制稀释速率D 0=0.09;罐组首罐糖化醪流加量为总量的83%,稀释速率D 1=0.05。预发酵罐和发酵罐的填充系数为Φ=0.9,则
预发酵罐糖化醪流量F 0=17%×101.3=17.2 m 3/h 预发酵罐V 0有效=F 0/D 0=17.22/0.09=191.4 m 3 预发酵罐V 0全=V 0有效/Φ=191.4/0.9=212.7 m 3 首发酵罐糖化醪流量F 1=83%×101.3=84.1 m 3/h 首发酵罐V 1有效=F 1/D 1=84.1/0.05=1682 m 3 首发酵罐V 1全=V 1有效/Φ=1682/0.9=1868.9 m 3
预发酵罐和发酵罐直径d 与高H 的关系H=1.5d,锥形封头高、锥底高与直径的关系h 1=h 2=0.1d,V 全=(π/4)d 2(H +h 1/3+h 2/3), V 全=1.23d 3,所以经计算得d 0=5.571 m; d 1=11.50 m 。
取预发酵罐d 0=5.6 m,则H 0=8.4 m, h 01=h 02=0.56 m,验算 V 0全=216.0 m 3>212.7 m 3;
取首发酵罐d 1=11.5 m,则H 1=17.25 m,h 11=h 12=1.15 m,验算 V 1全=1871.0 m 3>1868.9 m 3。
所以预发酵罐、首发酵罐体积可满足生产需要。 (2)发酵罐组个数确定
设发酵周期为60h ,发酵液的体积流量为16.6 m 3/h,发酵罐组设1个成熟醪贮罐,发酵罐组个数为:
n=101.3×60/(1868.9×0.9)+1=4.6个
取整数n=5个,故本设计选取预发酵罐1个,发酵罐5个。