淀粉原料燃料酒精廠全廠總物料衡算1

1、淀粉原料燃料酒精廠全廠總物料衡算任務(wù)：11000t/a的酒精廠發(fā)酵車間的設(shè)計(jì)姓名：班級(jí)：學(xué)號(hào)：  11000t/a 酒精廠全廠總物料衡算1 前言據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界每年的石油消耗量為200億桶,比發(fā)現(xiàn)的石油多50億桶。石油不斷減少，全球的消耗量卻不斷增加。尤其我國(guó)最近幾年經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，石油消耗也快速增加。并且中國(guó)充滿爆發(fā)力的石油需求一直被視為近兩年來國(guó)際油價(jià)大漲的關(guān)鍵因素。目前中國(guó)已取代日本成為全球第二大石油消耗國(guó)（僅次于美國(guó)），預(yù)估10年內(nèi)中國(guó)的石油需求將從目前的每日600萬桶膨脹近一倍至1150萬桶。十年前中國(guó)進(jìn)口石油占整體石油需求的比例才6%，現(xiàn)在已經(jīng)提高到三分之一，到2020年預(yù)期

2、將有60%的石油都必須來自進(jìn)口。石油燃燒帶來許多環(huán)境問題，其燃燒產(chǎn)物為硫化物和氮化物。硫氧化物對(duì)人體的危害主要是刺激人的呼吸系統(tǒng)，吸入后誘發(fā)慢性呼吸道疾病，甚至引起肺水腫和肺心性疾病。如果大氣中同時(shí)有顆粒物質(zhì)存在，顆粒物質(zhì)吸附了高濃度的硫氧化物、可以進(jìn)入肺的深部，就會(huì)大大地加大危害程度。石油燃燒產(chǎn)生的氮的氧化物和硫的氧化物在高空中為雨雪沖刷，溶解，雨成為了酸雨;這些酸性氣體成為雨水中雜質(zhì)硫酸根、硝酸根和氨離子，會(huì)嚴(yán)重污染土壤以及水體，造成生態(tài)的失衡。與此同時(shí)，石油消耗大量增加，也增加了我國(guó)石油安全系數(shù)。而燃料酒精正可以緩解這些問題。因?yàn)榫凭a(chǎn)技術(shù)人類已經(jīng)非常嫻熟，人類的文明史就是酒精的發(fā)展史

3、。自從有了人類文明便有了釀酒技術(shù)。酒精發(fā)酵是指在無氧條件下，微生物（如酵母菌）分解葡萄糖等有機(jī)物，產(chǎn)生酒精、二氧化碳等不徹底氧化產(chǎn)物,同時(shí)釋放出少量能量的過程。在生產(chǎn)過程中需要大量的生物技術(shù)。比如：需要基因工程得到即能提高生產(chǎn)酒精效率又可以用纖維素作為原料而生產(chǎn)酒精的酵母菌，用酶工程生產(chǎn)可直接將纖維素轉(zhuǎn)化為酒精的人造酶等等。發(fā)酵法生產(chǎn)酒精原料主要有淀粉質(zhì)原料，糖蜜原料和亞硫酸鹽造紙廢液等。而淀粉質(zhì)原料木薯含淀粉量高，木薯的塊跟淀粉含量達(dá)25-30左右，木薯干淀粉含量達(dá)70左右，是被譽(yù)為“淀粉之王”。木薯加工性能良好，也不與糧食爭(zhēng)地，是一種有很大發(fā)展?jié)摿Φ木凭a(chǎn)再生資源，將其應(yīng)用到發(fā)酵酒精工業(yè)

4、，具有廣闊的發(fā)展前景。本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述了從木薯原料預(yù)處理、液化、酶糖化到發(fā)酵生產(chǎn)后處理整個(gè)發(fā)酵酒精生產(chǎn)工藝流程中的物料、水平衡、熱量等衡算。（上文根據(jù)參考文獻(xiàn)1）2 酒精發(fā)酵的原理2.1酶水解生產(chǎn)中多采用酶水解法。許多種微生物，如細(xì)菌、曲霉等能產(chǎn)生淀粉酶。淀粉酶水解淀粉的過程是先使淀粉水解成麥芽糖，再由麥芽糖酶作用，生成葡萄糖。其總的反應(yīng)式如下：（C6H10O5）n + H2O 淀粉酶 C12H22O11 麥芽糖酶 C6H12O6 淀粉 麥芽糖 葡萄糖淀粉酶的種類較多，主要有以下幾種：-淀粉酶（液化酶、液化型淀粉酶）可將直鏈淀粉水解成含6個(gè)葡萄搪分子的單位。它對(duì)支鏈淀粉的-1，6糖苷鏈不起作用，但能

5、越過此鍵，從分于內(nèi)部水解-1，4 糖苷鏈，故支鏈淀粉的水解產(chǎn)物中除6個(gè)葡萄糖分子的單位以外，還有短鏈的分支。這些小分子化合物統(tǒng)稱為糊精。淀粉被水解后，粘度下降，表現(xiàn)為液化。-淀粉酶（糖化酶、糖化型淀粉酶）它的作用方式是從淀粉分子的非還原端開始，每次分解出一個(gè)麥芽糖分子，它可將直鏈淀粉徹底水解為麥芽糖。但也不能作用于-1，6糖苷鍵，而且不能越過此鍵。因此，當(dāng)分解支鏈淀粉時(shí)，遇到分枝點(diǎn)的-1，6糖苷鍵時(shí)，就停止作用，留下較大分子的極限糊精。葡萄糖淀粉酶（-淀粉酶）它自淀粉分子的非還原端開始，每次分解出一個(gè)葡萄糖分子，但也不能分解支鏈淀粉的-1，6糖苷鍵。異淀粉酶（R酶）它專門水解-1，6糖苷鍵。它

6、和上述三種淀粉酶聯(lián)合作用時(shí)可將淀粉徹底水解成麥芽糖和葡萄糖。2.2 酒精發(fā)酵酵母菌在厭氧條件下可發(fā)酵己糖形成酒精（乙醇）。酵母在沒有分子態(tài)氧和氧化酶參與作用，即厭氧的條件下，呼吸基質(zhì)不徹底氧化，最終的氫受體不是分子氧，而是某種中間代謝產(chǎn)物，其反應(yīng)的過程如下： C6H12O6 + 2A 2CH3COCOOH + 2(A-2H) 丙酮酸2CH3COCOOH 2CH3CHO + 2CO2 乙醛2(A-2H) + 2CH3CHO 2CH3CH2OH + 2A總反應(yīng)式為：C6H12O6 2CH3CH2OH + 2CO2 + Q1mol葡萄糖可產(chǎn)生2mol酒精，即80克葡萄搪可產(chǎn)生92g酒精，得率為51.

7、5?？墒牵湍父芍氐睦鄯e約為利用碳水化合物的2 %，同時(shí)2的碳水化合物用于形成甘油，0.5的碳水化合物用于形成有機(jī)酸（主要是琥珀酸）和0.2用于形成雜醇油（高級(jí)醇），因此，實(shí)際上糖只有47轉(zhuǎn)化成酒精。一般100kg純淀粉生產(chǎn)93濃度酒精的理論值是60.54kg。3 目前酒精發(fā)酵方式的比較3.1間歇發(fā)酵：指全部發(fā)酵過程始終在同一個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行的發(fā)酵方式。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，易于管理，不會(huì)大面積感染雜菌。缺點(diǎn)是酒母用量大，非生產(chǎn)性時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備利用率低。3.2連續(xù)發(fā)酵：指把發(fā)酵的不同階段的分別放入發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵的方式。由于糖液是一直連續(xù)不斷地流加，故每個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)的流量、醪液濃度、酒精濃度、酵母細(xì)胞數(shù)

8、以及溫度、pH值等均相應(yīng)穩(wěn)定，有利于酵母的生長(zhǎng)繁殖。優(yōu)點(diǎn)是可以提高設(shè)備利用率，節(jié)省酒母，便于自動(dòng)化控制，缺點(diǎn)是對(duì)無菌條件要求嚴(yán)格。3.3半連續(xù)發(fā)酵：介于間歇發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵方式。指主酵期采用連續(xù)發(fā)酵而后酵期采用間歇發(fā)酵。其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約酒母，設(shè)備利用率較間歇發(fā)酵有所提高，缺點(diǎn)是對(duì)無菌要求較為嚴(yán)格。（此段根據(jù)參考文獻(xiàn)2）4 生產(chǎn)工藝4.1 生產(chǎn)產(chǎn)量及方案產(chǎn)量：年產(chǎn)酒精11000噸產(chǎn)品品種：含乙醇93%（V）相當(dāng)于92.4%（W）食用酒精4.2 生產(chǎn)方法的選擇工藝方法：利用玉米為原料，雙酶糖化，添加酒精酵母連續(xù)發(fā)酵、三塔蒸餾的工藝是目前最成熟、最典型的生產(chǎn)工藝。酒精生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)圖3：4.

9、3主要工藝參數(shù)：年生產(chǎn)天數(shù)：300天 玉米含水：15%玉米粉產(chǎn)率：87%玉米含淀粉：63%玉米淀粉實(shí)際出酒率：53%發(fā)酵周期： 60h原料粉碎率： 2.5mm原料加水比：1：3-淀粉酶用量： 6u/原料蒸煮溫度：100 蒸煮時(shí)間：100min糖化酶用量：100u/g原料糖化溫度： 60糖化時(shí)間：45min糖化醪固形物濃度：18%糖化醪PH值：4.0接種量：10%稀釋速率： 0.1發(fā)酵溫度： 33發(fā)酵罐裝料系數(shù)：90%發(fā)酵醪酒精濃度： 10%（V/V）相當(dāng)于8.01%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 5 全廠物料衡算的內(nèi)容淀粉原料酒精廠的物料衡算包括兩部分，第一部分是生產(chǎn)過程全廠總物料衡算，主要計(jì)算內(nèi)容有：5.1

10、原料消耗的計(jì)算:主要原料為玉米，其它原料有淀粉酶、糖化酶、硫酸、硫酸銨等。（1）中間廠品，蒸煮醪、酒母醪、發(fā)酵醪等。（2）成品、副產(chǎn)品以及廢氣、廢水、廢渣既酒精、雜醇油。二氧化碳和廢糟等。52  原料消耗的計(jì)算5.2.1  淀粉原料生產(chǎn)酒精的總化學(xué)反應(yīng)式為： 糖化： （1）    162 18 180 發(fā)酵： （2）     180    46    44  5.2.2 生產(chǎn)1000kg燃料酒精的理論淀粉消耗量由（1）和（2）式可求得理

11、論上生產(chǎn)1000kg燃料酒精（乙醇含量93算）所消耗的淀粉量為：          燃料酒精體積分?jǐn)?shù)93%換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 89.64%的食用酒精。5.2.3  生產(chǎn)1000kg國(guó)際食用酒精的理論淀粉消耗量   國(guó)標(biāo)食用酒精乙醇含量在93（體積分?jǐn)?shù)）以上，相當(dāng)于 89.64%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），故生產(chǎn)1000kg食用酒精成品理論上需淀粉量為：    5.2.4 生產(chǎn)1000kg食用酒精實(shí)際淀粉耗量 實(shí)際上，整個(gè)年產(chǎn)過程經(jīng)歷原料處理、

12、發(fā)酵及蒸餾等工序，要經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)品得率必然低于理論產(chǎn)率。酒精生產(chǎn)給各過程各階段淀粉損失如表所示：生產(chǎn)過程損失原因淀粉損失備注原料處理粉塵損失0.4 蒸煮淀粉殘留0.5 發(fā)酵發(fā)酵殘?zhí)?.50 發(fā)酵巴斯德效應(yīng)4.00 發(fā)酵酒氣蒸發(fā)1.30如加酒精捕集器此項(xiàng)則為0.30發(fā)酵二氧化碳帶走蒸餾廢槽帶走1.85 總計(jì)損失9.55 假定發(fā)醇階段系統(tǒng)設(shè)有酒精捕集器，則淀粉總損失率為9.55%,故生產(chǎn)1000kg用酒精需淀粉量為： 這個(gè)原料消耗水平達(dá)到了我國(guó)現(xiàn)階段玉米原料生產(chǎn)酒精的先進(jìn)出酒率水平。5.2.5生產(chǎn)1000

13、kg食用酒精玉米原料消耗量據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)給出，玉米原料含淀粉63%，故1噸酒精耗玉米量為：    5.2.6  -淀粉酶消耗量應(yīng)用酶活力為20000u/g的-淀粉酶使淀粉液化,促進(jìn)糊化,可減少蒸汽消耗。-淀粉酶消耗量按8u/g原料計(jì)算.  用酶量為: 5.2.7  糖化酶耗量若所用糖化酶的活力為50000u/g,使用量為100u/g原料，則糖化酶消耗量為：         此外，酒母糖化酶用量按200u/g（原料）計(jì)，且酒母用量為10%，則用糖化酶量為：式中70%為酒母

14、的糖化液占70%，其余為稀釋水與糖化劑。兩項(xiàng)合計(jì)，糖化酶用量為6.316kg。5.2.8硫酸銨耗用量：硫酸銨用于酒母培養(yǎng)基的補(bǔ)充氮源，其用量為酒母量的0.1%,設(shè)酒母醪量為 ,則硫酸銨的消耗量為:0.1% .53  蒸煮醪量的計(jì)算根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐,淀粉原料連續(xù)蒸煮的粉料加水比為1:3,故粉漿量為:蒸煮過程使用直接蒸汽加熱,在后熟器和汽液分離器減壓蒸發(fā)、冷卻降溫.在蒸煮過程中,蒸煮醪量將發(fā)生變化,故蒸煮醪的精確計(jì)算必須與熱量衡算同時(shí)進(jìn)行,順而十分復(fù)雜.為簡(jiǎn)化計(jì)算,可按下述方法近似求解。假定用罐式連續(xù)蒸煮工藝,混合后粉漿溫度為50,應(yīng)用噴射液化器使粉漿迅速升溫至105,然后進(jìn)入罐式連續(xù)液化5

15、-8min ,在真空冷卻器中閃急蒸發(fā)冷卻至100后進(jìn)入液化罐反應(yīng)約100min,進(jìn)真空冷卻器冷卻至60后入糖化罐糖化45min.干物質(zhì)含量的玉米比熱容為: 粉漿干物質(zhì)含量為：蒸煮醪比熱容為: 式中 水的比熱容kJ/(kg·K)5.3.1 經(jīng)噴射液化器加熱后蒸煮醪量為：式中 2748.9噴射液化器加熱蒸汽(0.5MPa)的焓(kJ/kg)5.3.2  經(jīng)液化維持管出來的蒸汽醪量為：(溫度降為102)式中 2253液化維持管的溫度為102下飽和蒸汽的汽化潛熱(kJ/kg)5.3.3  經(jīng)閃蒸汽液分離器后的蒸煮醪量為： 式中2182-100飽和蒸汽的汽化潛熱(

16、kJ/kg)5.3.4 經(jīng)真空冷卻器后最終蒸煮醪液量為：式中 1413真空冷卻溫度為60下的飽和蒸汽的汽化潛熱(kg/kg)54  糖化醪與發(fā)酵醪量的計(jì)算設(shè)發(fā)酵結(jié)束后成熟醪量含酒精10%(體積分?jǐn)?shù))，相當(dāng)于8.01%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).并設(shè)蒸餾效率為98%，而且發(fā)酵醪酒精捕集器回收酒精洗水分別為成熟醪量的5%和1%，則生產(chǎn)1000Kg93%(體積分?jǐn)?shù))酒精成品有關(guān)計(jì)算如下:5.4.1  需蒸餾的成熟發(fā)酵醪量為：5.4.2 若不計(jì)酒精捕集器和洗罐用水，則成熟發(fā)酵醪量為：5.4.3  入蒸餾塔的成熟醪乙醇濃度為：     &

17、#160;(質(zhì)量分?jǐn)?shù))5.4.4  相應(yīng)發(fā)酵過程放出 總量為：5.4.5  接種量按10%計(jì)，則酒母醪量為：5.4.6 酒母醪的70%是糖化醪，其余為糖化劑和稀釋水，則糖化醪量為:         55  成品與發(fā)酵醪量的計(jì)算廢醪量是進(jìn)入蒸餾塔的成熟發(fā)酵醪減去部分水和酒精成分及其他揮發(fā)組分后的殘留液。此外，由于醪塔是使用直接蒸汽加熱，所以還需要加上塔的加熱蒸汽冷凝水。設(shè)進(jìn)塔的醪液（）的溫度=70，排除廢醪的溫度：成熟醪固形物含量為，塔頂上升酒氣的乙醇濃度50%（體積

18、分?jǐn)?shù)）即47.18%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。則：5.5.1醪塔上升蒸汽量為： 5.5.2殘留液量為： 5.5.3成熟醪比熱容為：5.5.4成熟醪帶入塔的熱量為：5.5.5蒸餾殘留液固形物含量為： 5.5.6蒸餾殘留液的比熱容為：5.5.7塔底殘留液帶出的熱量為：查附錄得50%（體積分?jǐn)?shù)）酒精蒸汽焓,故有：5.5.8上升蒸汽帶出熱量為：塔底采用0.05（表壓）蒸汽加熱，焓為；又蒸餾過程熱損失可取為傳遞總熱量的1%。根據(jù)熱量衡算，可得消耗的蒸汽量為：若采用直接蒸汽加熱，則塔底排除廢醪量為：  56  生產(chǎn)11000t/a酒精的物料衡算前面對(duì)玉米干淀粉原料生產(chǎn)1000kg燃料酒精（93%，

19、體積分?jǐn)?shù)）進(jìn)行了物料平衡計(jì)算。以下對(duì)11000t/a玉米干原料燃料酒精廠進(jìn)行計(jì)算。5.6.1酒精成品日產(chǎn)燃料酒精量為： 年產(chǎn)燃料酒精量為：5.6.2 主要原料木薯干用量日耗量為： 年耗量為： 淀粉酶、糖化酶用量以及蒸煮粉漿量、糖化醪、酒母醪、蒸餾發(fā)酵醪等每日量和年產(chǎn)量均可算出，結(jié)果如下表：11000t/a淀粉原料酒精廠物料衡算表產(chǎn)量項(xiàng)目生產(chǎn)1000kg93%酒精物料量（kg）每小時(shí)數(shù)量(t)每天數(shù)量(t)每年數(shù)量(t)燃料酒精10001.543711100玉米干原料2770.04.23101.630470-淀粉酶1.1080.001690.040612.188糖化酶 6.3160.00960.231669.476硫酸銨1.160.00180.042512.76蒸煮粉漿11080.016.928406.27121880成熟蒸煮醪10736.116.402393.657118097.1糖化醪1971.33.01272.28121684.3酒母醪1159.61.77242.51912755.6蒸餾發(fā)酵醪12558.319.186460.471138141.3二氧化碳907.71.38733.2829984.7廢醪12737