【文章內(nèi)容簡介】 充在反應(yīng)器中酸液連續(xù)通過的反應(yīng)工式。前蘇聯(lián)的水解工藝主要采用這種形式。它的主要優(yōu)點(diǎn)有：生成的糖可即使排出，減少糖的分解；可在較低的 液固比下操作，提高所得糖的濃度；液體通過分離器內(nèi)的過濾管流出，液固分離自然完成，不必用其他液固分離設(shè)備，反應(yīng)器容易控制。工藝流程：木材經(jīng)粉碎后，由帶式輸送器填入水解器中，水解后剩下的木質(zhì)素通過排渣器排出器外。水解用酸從儲(chǔ)罐經(jīng)計(jì)算器用往復(fù)泵送人水解器。水解液從水解反應(yīng)器流出后，接連通過高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器，在高壓蒸發(fā)器中水解液 175180℃降至 140150℃。在低壓蒸發(fā)器中進(jìn)一步降到 105110℃，水解液最后送往中和器。 稀酸二級(jí)水解工藝流程。該工藝流程中，纖維質(zhì)原料共進(jìn)行兩次水解。原料經(jīng)粉碎后和酸浸 泡后進(jìn)入第一級(jí)水解反應(yīng)器，反應(yīng)器的溫度升到 190℃，用 %的硫酸水解，停留時(shí)間 3min，可把約20%的纖維素和 80%的反纖維素水解。離開以及反應(yīng)器的水解液經(jīng)液固分離后，糖液進(jìn)入 pH 調(diào)節(jié)器。固形物經(jīng)螺旋壓榨器脫水后進(jìn)入二級(jí)水解器中，治理溫度升到 220℃，用 %的硫酸水解，停留時(shí)間為 3min，可把剩余的纖維素水解為葡萄糖。水解液混合后，經(jīng)酸堿中和，可進(jìn)入發(fā)酵階段。 ② 酶水解乙醇發(fā)酵工藝 纖維素水解乙醇生產(chǎn)工藝可分為非同步水解與發(fā)酵工藝和同步水解與發(fā)酵工藝兩類。分別簡單介紹如下。 非同步水解與發(fā)酵工藝（ Separate hydrolysis and fermentation ,SHF） 。本工藝特點(diǎn)是纖維素水解和水解液乙醇發(fā)酵是分別在不同容器內(nèi)單獨(dú)進(jìn)行的 [8]。早期的纖維質(zhì)原料都是采用這種工藝。工藝 10 流程如圖 所示 一 級(jí) 稀 酸 水 解固 液 分 離水 解 液 糖 酸 分 離水 解 液 中 和二 級(jí) 稀 酸 水 解固 液 分 離酒 精 發(fā) 酵木 質(zhì) 素 利 用原 料 粉 碎 圖 稀酸二級(jí)水解工藝流程 同步水解與發(fā)酵工藝 (Simulataneous saccharification and fermentation,SSF)。隨著對纖維素酶水解機(jī)理的不斷認(rèn)識(shí)， 20 世紀(jì) 70 年代，人們提出了 SSF 水解工藝 。該工藝可以解決葡萄糖的反饋抑制作用，如果選用適當(dāng)?shù)慕湍?，纖維二糖也能夠利用。因此該工藝可以提高水解速度，糖的產(chǎn)量和乙醇得率也將增加。目前， SSF 已成為很有前途的生物質(zhì)制乙醇的工藝。工藝流程如圖 所示 水 解 液 中 和原 料 粉 碎水 解 液 中 和原 料 粉 碎原 料 粉 碎 圖 纖維質(zhì)原料同步水解與發(fā)酵工藝 在一般的 SSF 工藝中，預(yù)處理生產(chǎn)富含五碳糖的液體是單獨(dú)發(fā)酵的。隨著能同時(shí)發(fā)酵葡萄糖和木糖的新型微生物的開發(fā)和應(yīng)用，又發(fā)展了同步水解發(fā)酵工藝（ Simultaneous saccharification and cofermentation,SSCF） 。該工藝中預(yù)處理得到的糖液和處理過的纖維素放在同一個(gè)反應(yīng)器中處理，進(jìn)一步簡化了流程 [9]。 11 2 乙醇發(fā)酵工藝 本設(shè)計(jì)選用淀粉質(zhì)原料發(fā)酵乙醇。淀粉質(zhì)原料包括薯類原料（甘薯、馬鈴薯、木薯、等）。目前，國內(nèi)主要使用的原料有甘薯、木薯、小麥、玉米和高粱。 最初，我國的乙醇生產(chǎn) 主要用 玉米、小麥等糧食 發(fā)酵制得 ，其中主要以玉米為主。隨著陳化糧食逐步消耗殆盡和玉米價(jià)格節(jié)節(jié)攀升，考慮到玉米生物乙醇的發(fā)展可能威脅到國家的糧食安全，為此， 2021 年起國 家停止新批玉米燃料乙醇企業(yè)，并大力鼓勵(lì)發(fā)展非糧食作物為原料開發(fā)燃料乙醇。從 2021 年至今，在保證現(xiàn)有的糧食乙醇生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，我國燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展主要是兩個(gè)方向：一是木薯乙醇；二是纖維素乙醇。兩者都屬于非糧食作物，其中，木薯乙醇已處于規(guī)?；a(chǎn)階段，技術(shù)發(fā)展已相對完善；而纖維素乙醇在我國還處在試驗(yàn)階段，技術(shù)還有待完善。 木薯是熱帶和亞熱帶廣泛種植的糧食和經(jīng)濟(jì)作物，適應(yīng)性很強(qiáng)，耐旱、耐瘠、耐水，對土質(zhì)要求不高，是可在任何土質(zhì)中生長的作物。我國南方盛產(chǎn)木薯，不僅產(chǎn)量高，淀粉含量也很高，木薯的塊根淀粉含量達(dá) 2530％左右，木薯干淀粉含量達(dá) 70％左右，是被譽(yù)為“淀粉之王” [11]。木薯已被世界公認(rèn)具有很大發(fā)展?jié)摿Α⒑苡星巴镜木凭a(chǎn)的可再生資源。近年來，隨著木薯原料用于生產(chǎn)酒精逐漸受到人們的重視，國內(nèi)外學(xué)者都致力于木薯生產(chǎn)酒精工藝的研究。 本設(shè)計(jì)選用木薯為原料發(fā)酵制的乙醇，總 工藝流程 為： 原料 —— 粉碎 —— 拌料 —— 蒸煮 —— 糖化 —— 發(fā)酵 —— 蒸餾 —— 乙醇 木薯的處理 木薯原料在進(jìn)行正式生產(chǎn)之前，必須預(yù)處理，以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行和提高生產(chǎn)的效益，預(yù)處理包括除雜和粉碎兩個(gè)工序。 原料除雜 木薯在收獲和干燥 過程中，經(jīng)常會(huì)摻夾進(jìn)泥土、沙石、粗纖維、金屬雜質(zhì)等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)如果沒有在正式投入生產(chǎn)之前清除，會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。石塊和金屬雜質(zhì)會(huì)使粉碎機(jī)的篩板磨損或者損壞，造成生產(chǎn)的中斷；機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)部位，會(huì)因泥沙的存在而加速磨損，雜物還易造成堵塞閥門、管道、泵和關(guān)鍵設(shè)備，使生產(chǎn)過程不能正常進(jìn)行，泥沙等雜質(zhì)也會(huì)影響正常的發(fā)酵過程。所以用木薯原料生產(chǎn)酒精前，必需進(jìn)行除雜，以保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行和提高生產(chǎn)的效益。 原料除雜通常采用篩選和磁選。篩選多選用振動(dòng)篩除去原料中的較大雜質(zhì)及泥沙。振動(dòng)篩是一種平面篩，常用的有兩 種：一種是由金屬絲（或其他絲線）編織而成的；另一種是沖孔的金屬板。開孔率越大，篩選效率越高，但開孔率過大會(huì)影響篩子的強(qiáng)度 [12]。本設(shè)計(jì)選用沖孔的金屬板，篩板開孔率為 50%，篩寬 1000mm，振幅 5mm，頻率 400 次 /min 其生產(chǎn)能力 0 c p3600 = 3 6 0 0 0 . 9 5 1 0 . 2 0 . 4 0 . 5 0 . 7 9 = 1 0 8 . 0 7 2 tG B h V ???? ? ? ? ? ? B0—— 篩面有效寬度， m； H—— 篩面物料厚度， m，取 (1~2)hd? （ d 為物料最大直徑）； cpV —— 物料沿篩面運(yùn)動(dòng)的平均速度， m/s，取 ； ? —— 物料松散系數(shù)，取 ； ? —— 物料的密度， kg/m3。 磁選多選用磁力除鐵器除去原物料中的磁選雜質(zhì)，如鐵定和螺母等，常見設(shè)備為永久性磁力除鐵器和電磁除鐵器 [9]。 原料粉碎 淀粉質(zhì)原料的淀粉顆粒常以顆粒狀態(tài)儲(chǔ)存于細(xì)胞之中，由于受到植物組織的細(xì)胞壁的保護(hù)不宜被直接利用 [13]。所以原料粉碎是原料處理的關(guān)鍵步驟之一。 木薯原料粉碎可以使原料的顆粒變小，原料的細(xì)胞組織部分破壞，淀粉顆粒部分外泄，增加原料的表面積，在進(jìn)行水熱處理時(shí)，加快原料吸水速度，降低水熱處理溫度，節(jié)約水熱處理蒸汽；有利于α 淀粉酶與原料中淀粉分子的充分接觸，促使其水解徹底，速度加快，提高淀粉的轉(zhuǎn)化率；有利于物料在生產(chǎn)過程中的輸送。原料的粉碎按帶水與否可分為：干式粉碎和濕式粉碎，實(shí)際生產(chǎn)中多采用干式粉碎。國內(nèi)乙醇生產(chǎn)原料粉碎設(shè)備主要是錘片式粉碎機(jī)，合理的干式粉碎應(yīng)采用粗碎和細(xì)碎兩級(jí)粉碎工藝，在進(jìn)入錘碎機(jī)前先經(jīng)過粗碎，把大塊原料初步打碎成小塊原料，再經(jīng)過錘碎 機(jī)，將小塊原料打碎成較細(xì)的粉末原料。濕式粉 12 碎是指粉碎時(shí)將拌粉用水和原料一起加到粉碎機(jī)中去進(jìn)行粉碎。 本設(shè)計(jì)采用 200 型 CSJ高效粗碎機(jī)，其主要適用于醫(yī)藥、食品、化工、冶金、建筑等行業(yè)，對堅(jiān)硬、難粉碎的物料進(jìn)行加工，包括對塑料、樹根等進(jìn)行粉碎，也能作為微粉碎加工前道工序的配套設(shè)備。不受物料粘度、硬度、軟度等的限制。對任何物料都能起到較好的粉碎效果。其工作原理：本機(jī)為臥式粉碎結(jié)構(gòu)，物料有進(jìn)料斗進(jìn)入粉碎室，利用旋轉(zhuǎn)刀與固定刀沖擊、剪切而獲得粉碎，經(jīng)旋轉(zhuǎn)離心力的作用，物料自動(dòng)流向出口處，該機(jī)按“ GMP”標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 整機(jī)全部采用不銹鋼材料制造，結(jié)構(gòu)簡單、清洗方便、噪音低。 其生產(chǎn)能力為 300～ 1000kg/h， 粒度 100mm， 粉碎細(xì)度 ～ 20mm， 主軸轉(zhuǎn)速為 400r/min， 電機(jī)功率 ， 外形尺寸（長寬高） 8809001250 原料輸送 原料輸送常用方法是機(jī)械輸送、氣流輸送。 1）機(jī)械輸送 通常多用于固體物料的輸送。常用的輸送機(jī)械有皮帶輸送器、螺旋輸送器和斗式提升機(jī)。前兩種多用于水平方向輸送，后者多用于垂直方向輸送。 2）氣流輸送 也稱風(fēng)送或氣力輸送。 本設(shè) 計(jì)中 原料粉碎采用風(fēng)選風(fēng)送工藝，除掉了原料中的沙、石雜質(zhì)，提高了設(shè)備粉碎能力 。 液化和糖化 用于乙醇生產(chǎn)的酵母，不能直接利用淀粉進(jìn)行乙醇發(fā)酵，淀粉必須水解成糖類利用。此外，淀粉因受到植物細(xì)胞壁的保護(hù)作用，細(xì)胞內(nèi)的淀粉顆粒不易受到淀粉酶系統(tǒng)的作用，同時(shí)糖化酶對不溶解狀態(tài)淀粉的糖化作用又非常弱，所以，淀粉原料在經(jīng)過前述的與處理后，需要進(jìn)一步液化和糖化后，才能使淀粉從細(xì)胞中游離并轉(zhuǎn)化成糖類，以保證乙醇發(fā)酵的順利進(jìn)行。 液化 木薯淀粉中含直鏈淀粉 17％，支鏈淀粉 83％ ，淀粉漿的液化是將淀粉鏈打斷，淀 粉的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，從而使淀粉漿的粘度降低，使淀粉水解為糖和糊精 [11]。傳統(tǒng)的液化工藝采用高溫高壓蒸煮法。原料和水混均后，于 130℃下進(jìn)行高溫高壓處理。隨著酶工程的發(fā)展，傳統(tǒng)的高壓高溫蒸煮逐漸被取代，液化可分為有蒸煮方式和無蒸煮方式，現(xiàn)在的有蒸煮液化方式與傳統(tǒng)的高溫高壓蒸煮液化方式有著本質(zhì)的不同，它是建立在酶制劑技術(shù)上的一種液化方式。液化過程中廣泛使用液化酶(α 淀粉酶 )對原料進(jìn)行液化處理。 ? 淀粉酶可將淀粉長鏈從內(nèi)部分裂成若干短鏈的糊精，所以，也稱內(nèi) 切淀粉酶。 ? 淀粉酶水解直鏈淀粉分子，最后階段的產(chǎn)物為葡萄糖、麥芽糖和麥芽三糖；水解支鏈淀粉分子，最后階段的產(chǎn)物為葡萄糖、麥芽糖和少量的界限糊精。淀粉受到 ? 淀粉酶作用后，遇碘呈色反應(yīng)，表現(xiàn)為如下規(guī)律。 藍(lán) → 紫 → 紅 → 淺紅 → 不顯色（碘原色） 淀粉液化是糖化的前提。工業(yè)生產(chǎn)中一般根據(jù)使用 ? 淀粉酶的不同，液化的工藝條件會(huì)略有不同。使用耐高溫 ? 淀粉酶，采用 95℃的處理溫度，使用普通 ? 淀粉酶，采用 85℃的處理溫度。采用高溫液化可以提高酶反應(yīng)速度，但溫度高于酶的最適作用溫度時(shí)，酶活力損失加快。此外，生產(chǎn)中有時(shí)也添加 CaCl2 或 CaSO4， Ca2+的存在有助于提高酶對熱的穩(wěn)定性，一般 Ca2+濃度控制在。 ? 淀粉酶的用量一般為每克淀粉使用 2～ 10U，含單寧多的原料用量可適當(dāng)增 大。液化時(shí)間，一般控制在 45～ 90min，薯類淀粉較谷類淀粉更容易水解些。淀粉液化不需要進(jìn)行的非常的徹底，一般控制淀粉水解程度在葡萄糖值為 10～ 20 之間較好，液化的終點(diǎn)常以碘液顯色控制。 噴射液化是目前使用最廣泛的液化工藝，它是利用低壓蒸汽噴射器來完成淀粉的液化。淀粉在? 淀粉酶的水解作用和噴射發(fā)生地剪切作用下，能很快地將淀粉液化。噴射液化連續(xù)液化、操作穩(wěn)定、液化均勻、淀粉利用率高等優(yōu)點(diǎn)，此外對蒸汽壓力要求低，且不易堵塞，無震動(dòng)。其流程如圖 所示： 制 漿 噴 射 液 化 保 溫 液 化 冷 卻 糖 化粉 料水 、 淀 粉 酶 蒸 汽 圖 噴射液化流程圖 13 本設(shè)計(jì)選用罐式連續(xù)蒸煮工藝 蒸煮過程使用直接蒸汽加熱 ， 在后熟和汽液分離器減壓蒸發(fā) 、 冷卻降溫 。 糖化 經(jīng)過液化后的淀粉繼續(xù)進(jìn)行糖化， 將短的淀粉鏈即糊精轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖，糖化分前糖化階 段和后糖化階段，因?yàn)樘腔^程的時(shí)間限制，不可能將全部的淀粉轉(zhuǎn)化為糖，所以在發(fā)酵過程中還存在糖化過程，稱為后糖化 [11]。糖化是一個(gè)復(fù) 雜的生物化學(xué)變化過程，受糖化酶添加量、時(shí)間、溫度等多種因素的影響。糖化酶在木薯酒精發(fā)酵中有很大的作用，它將木薯中的淀粉分解成可發(fā)酵性糖，以利于酵母酒精發(fā)酵。糖化酶的用量對酒精發(fā)酵有很大的影響，糖化酶的用量太少，會(huì)造成發(fā)酵不徹底；糖化酶太多，則增加了生產(chǎn)成本。糖化的效果不僅取決于糖化酶的添加量，而且與糖化時(shí)間有很大的關(guān)系，糖化時(shí)間不足，造成糖化不完全，不利于提高原料出酒率；糖化時(shí)間過長，會(huì)延長生產(chǎn)周期 ,降低設(shè)備的利用率。糖化的溫度的高低對糖化也有一定的影響。酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，反應(yīng)溫度高于適宜溫度時(shí)，酶蛋白 會(huì)逐漸產(chǎn)生變性而作用減弱，甚至喪失其催化活性，溫度過低于適宜溫度容易染菌，所以糖化溫度的控制是非常重要的。從歷年來，木薯酒精發(fā)酵的研究資料來看，糖化酶添加量一般控制在 100200u/g原料，糖化階段的溫度在 5862℃ ， 糖化酶最適 pH為 ～ ，乙醇生產(chǎn)過程，糖化醪的自然 pH 與最適 pH 相近，不需要調(diào)整 pH。 糖化時(shí)間控制在 3060min[14]。 糖化的方式可分為間歇糖化和連續(xù)糖化。本設(shè)計(jì) 采用 連續(xù) 糖化工藝，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)操作的連續(xù)性，即降低了蒸汽消耗，又降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 乙醇發(fā)酵 原料經(jīng)過預(yù) 處理、蒸煮、糖化等處理后，即可進(jìn)入發(fā)酵工序，把糖轉(zhuǎn)化為乙醇和二氧化碳。從表面上看，乙醇發(fā)酵過程很簡單，氮發(fā)酵過程卻發(fā)生著非常復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程。此在，不同種類的微生物對營養(yǎng)需求的不同，處理后原料所含成分的差異，以及發(fā)酵工藝的多樣性都決定了乙醇發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的過程。 乙醇發(fā)酵常用的微生物 自然界中，很多微生物都能代謝產(chǎn)生乙醇，氮釀酒酵母等酵母菌和兼性厭氧細(xì)菌運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單細(xì)胞是目前乙醇生產(chǎn)的主要微生物。此外，根據(jù)不同的代謝途徑構(gòu)建的基因工程菌也是顯示了良好的