【文章內(nèi)容簡介】 和產(chǎn)業(yè)化培訓(xùn)階段。目前，國內(nèi)已開展的纖維素發(fā)酵乙醇項(xiàng)目大多數(shù)處于中試或示范階段，與國外的發(fā)展階段基本一致。同時與國外相比，我國在纖維素發(fā)酵乙醇技術(shù)研發(fā)的 工藝選擇上相對集中，已取得中試和示范規(guī)模的項(xiàng)目選用生物轉(zhuǎn)化技術(shù)路線，即預(yù)處理 酶催化水解 發(fā)酵工藝。對其他工藝，如氣化微生物發(fā)酵、集成生物過程（ CBP）、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化等關(guān)注度不高。 市場需求 在我國， 河南天冠酒精化工集團(tuán)有限公司 作為 “ 十五 ” 期間國家發(fā)改委確定的全國 4家燃料乙醇定點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)之 一，目前已掌握著 秸稈生產(chǎn)乙醇的關(guān)鍵技術(shù)。中試結(jié)果顯示， 6噸左右秸稈可產(chǎn)出 1噸乙醇，技術(shù)理論轉(zhuǎn)化率超過 18%。據(jù)測算，全國每年僅農(nóng)作物秸稈有7 億噸，其中 2億噸被作為農(nóng)村燃料消耗。若將其余 5億噸用來生產(chǎn)乙醇，可產(chǎn) 7000 萬噸乙醇。再加上木材、制糖、造紙工業(yè)下腳料和城市廢纖維垃圾，總計(jì)可得乙醇 8500萬噸，年產(chǎn) 10 萬噸 纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì) 9 比全國汽油消耗總量還要多。 纖維乙醇技術(shù)一舉三得，首先，纖維原料可再生，用它生產(chǎn)燃料乙醇可緩解能源危機(jī) 。其次， 企業(yè)可接受的價(jià)格，每噸秸稈可直接為農(nóng)民增加 200元收入，按平均每戶 4人 5畝地計(jì)算，一年可凈增收 1500元 ； 同時，木質(zhì)素?zé)嶂岛偷攘康拿合喈?dāng)，粗木質(zhì)素可以加工成 “ 煤球 ” ，純度稍高的可做成活性炭，每噸市場價(jià)在五千元左右，而經(jīng)精制的高純度木質(zhì)素則可作為添加劑用于改善聚氨酯產(chǎn)品的綜合性能，每噸售價(jià)也在 600010000 元 ， 生產(chǎn)酒精后產(chǎn)生的廢糟液發(fā)酵處理，生產(chǎn)沼氣， 供居民生活使用 。生產(chǎn)沼氣后，剩余的糟液殘?jiān)帜芗庸こ蓜游镲暳匣蛑瞥?“ 綠色 ” 沼渣肥，用于農(nóng)業(yè)建設(shè)。 設(shè)計(jì)的目的和意義 設(shè)計(jì)的目的 生產(chǎn) 纖維質(zhì)酒精 以滿足日益增長的市場需求同時獲得很好的經(jīng)濟(jì)收益 。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)熟悉纖維質(zhì)原料酒精生產(chǎn)過程和一些工程技術(shù)問題的解決方式，培養(yǎng)獨(dú)立查找、分析和使用技術(shù)資料的能力，能獨(dú)立編寫設(shè)計(jì)文件 設(shè)計(jì)的意義 （ 1） 滿足各行各業(yè)產(chǎn)品需求。 （ 2）可以長遠(yuǎn)解決公司的生存問題，并且為當(dāng)?shù)靥峁└嗟木蜆I(yè)機(jī)會，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的 發(fā)展。 （ 3）做到了真正意義上的 綠色產(chǎn)業(yè) 。 （ 4）有利于國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，保持國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。 年產(chǎn) 10 萬噸 纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì) 10 項(xiàng)目設(shè)計(jì)依據(jù) 和原則 設(shè)計(jì)依據(jù) 海南大學(xué) 2021年 化工工藝課程 設(shè)計(jì)課題《年產(chǎn) 10 萬噸纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵 生產(chǎn)工藝 流程 設(shè)計(jì)》任務(wù)書，見附件。 設(shè)計(jì)原 則 （ 1）按技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則對技術(shù)方案進(jìn)行論證，以確定最佳方案； （ 2）盡可能采用節(jié)能工藝和高效設(shè)備，充分發(fā)揮規(guī)模效應(yīng)，降低能耗、物耗和生產(chǎn)成本，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益； （ 3）主體工程與環(huán)境保護(hù)、勞動安全和工業(yè)衛(wèi)生 同時考慮，以減少 “三廢 ”排放，加強(qiáng)廢渣 治理，確保安全生產(chǎn)，消除并盡可能 減 小工廠生產(chǎn)對化境的不良影響和對工廠職工以及周邊地區(qū)居民健康的危害。 設(shè)計(jì)范圍 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容： （ 1） 生產(chǎn)方案選擇 （ 2） 工藝流程設(shè)計(jì)與論證 （ 3）工藝 原理與操作條件說明 （ 4）工藝計(jì)算 —— 物料衡算與熱量衡算 （ 5）生產(chǎn)主要設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算與選型 （ 6）生產(chǎn)車間設(shè)備配置與布置設(shè)計(jì) （ 7）編寫項(xiàng)目設(shè)計(jì)說明書 （ 8）工程設(shè)計(jì)繪圖 ①帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 ②車間布置平面、立面圖 、 工廠總體平面布置圖 （可略） 設(shè)計(jì)重點(diǎn)： 工藝流程設(shè)計(jì)與 論證 、工藝原理說明和 工藝計(jì)算 乙醇 生產(chǎn)能力及產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 年產(chǎn) 100000噸 纖維質(zhì)原料酒精 ，年工 作 日為 300天， 全天候連續(xù)生產(chǎn) 。 年產(chǎn) 10 萬噸 纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì) 11 本產(chǎn)品 為 纖維質(zhì)原料酒精 ， 質(zhì)量規(guī)格為 一 等品 ， 執(zhí)行國家《 GB/》標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)見下表 11。 纖維質(zhì)原料酒精質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 《 GB/》 項(xiàng) 目 指 標(biāo) 優(yōu)等品 一等品 外觀氣味 無色透明液體無異味 無色透明液體無異味 乙醇（ 20℃ ） %（ V/V） ≥ 硫酸試驗(yàn)號 ≤ 10 80 氧化試驗(yàn)，分 ≥ 30 15 醛（以乙醛計(jì)） g/100mL≤ 雜醇油（以異丁醇異戊醇計(jì)） g/100mL≤ 甲醇 g/100mL≤ 酸（以乙酸計(jì)） g/100mL≤ 酯（以乙酸乙酯計(jì)） g/100mL≤ 不發(fā)揮物 g/100mL≤ 表 1— 2 發(fā)酵醪的成熟標(biāo)準(zhǔn) 項(xiàng) 目 連 續(xù) 發(fā) 酵 鏡檢 酵母形態(tài)正常無雜菌 外觀精度 /176。 Bx 還原糖 /% 帶渣總糖 /% 1以下 濾液總糖 /% 乙醇含量（體積分?jǐn)?shù)） /% 8～ 10 總酸 總酸不超過 揮發(fā)酸 ～ 案 選擇 生產(chǎn)方法 年產(chǎn) 10 萬噸 纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì) 12 將纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料酒精，可以降低傳統(tǒng)以糧食為原料的酒精發(fā)酵工業(yè)的成本，充分利用這種數(shù)量巨大的可再生資源。纖維素酶將預(yù)處理的纖維質(zhì)原料降解為酵母可直接利用的 D葡萄糖，轉(zhuǎn)化為 酒精。對纖維質(zhì)原料制酒精的研究主要有原材料的預(yù)處理、如何降低纖維素酶的成本、發(fā)酵過程的優(yōu)化、菌種的合理運(yùn)用和改造、酒精廢糟的綜合利用。 纖維素發(fā)酵酒精工藝分為酸水解工藝和酶水解工藝兩種流程 . 酸水解 酸水解可以分為稀酸水解和濃酸水解，可以在較溫和的條件下進(jìn)行。稀酸水解可以將半纖維素轉(zhuǎn)化為單元糖，原料中的重金屬被稀酸溶解，然后以氫氧化物的形式沉淀，最后和石膏一起被過濾掉。稀酸水解糖的轉(zhuǎn)化率只能達(dá)到 50%，其水解過程中產(chǎn)生一種絡(luò)合物，是大多數(shù)微生物的抑制劑。濃酸水解約有 90%的纖維素和半纖維素轉(zhuǎn)化的糖 被回收，但是濃酸水解中的酸難以回收。酸水解纖維素類物質(zhì)早在 19世紀(jì)末就有研究，但是迄今進(jìn)展不大。傳統(tǒng)處理途徑是用石灰中和水解液，以調(diào)節(jié) PH值達(dá)到發(fā)酵生產(chǎn)要求。 1987年， 出用離子排斥法（ LE）分離水解液中酸和糖的方法，據(jù) Nanguneri 等在 1990 年的估算，該法比傳統(tǒng)的石灰中和法經(jīng)濟(jì)。 1998年 Wooley等又提出了 9段模擬移動床 LE 分離酸液和糖液的方法，據(jù)稱不但能有效地分離硫酸和糖液，還能把水解副產(chǎn)物醋酸去除，已知后者是影響發(fā)酵的主要有害物質(zhì)。酸水解過程中還要求容器是防腐蝕、耐酸、耐 壓的，容器體積也較大。另外，酸解常會伴隨生成有毒產(chǎn)物乳糖醛、酚類等物質(zhì)，需要改善工藝，減少這些物質(zhì)的產(chǎn)生。 酶水解 現(xiàn)在所使用的纖維素酶都是由真菌產(chǎn)生的。纖維素酶的研究首先著眼于厭氣性分解菌，由于這些細(xì)菌一般不分泌胞外酶，產(chǎn)能低，多數(shù)對結(jié)晶纖維素沒活性。接著又有人提出使用好氣性分解菌，如李氏木霉，后來又分離到酶活性相似的正青霉和能分解棉花的疣孢青霉。 由于酶具有底物高度專一性，所以產(chǎn)率很高，而且副產(chǎn)物很少，所以對于進(jìn)一步的乙醇發(fā)酵減輕了提純的工作量。但是，酶的成本較高，纖維素的酶解又需要大量的酶， 在實(shí)際應(yīng)用過程中對之加以有效地回收利用是必要的措施，研究較多的是采用超濾膜回收技術(shù)。另外，通過對微生物菌株的選擇、誘變，以挑選能夠增加酶的產(chǎn)率和提高酶的活性的突變株，達(dá)到降低酶用量的目的。工業(yè)化酒精發(fā)酵需要必需的營養(yǎng)成分量巨大，因此，降低營養(yǎng)物質(zhì)的成本，尋求廉價(jià)資源是研究的方向。 年產(chǎn) 10 萬噸 纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì) 13 纖維素直接發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 厭氧性的熱纖梭菌（ Clostridium themocellum ）能直接將纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇。因?yàn)槠浼?xì)胞壁表面分布有不連續(xù)的包含有纖維素酶系的纖維素體 （ Cellulosome ），這些纖 維素體與纖維素相黏附，然后纖維素酶系逐步將纖維素分解為可溶性糖類，吸收入細(xì)胞進(jìn)一步利用，轉(zhuǎn)化為乙醇。然而，其纖維素水解成糖的比率一般僅有 10%~20% 。這表明直接將纖維素轉(zhuǎn)化為乙醇在理論上是可行的，但在實(shí)際工業(yè)化過程中如何提高乙醇的轉(zhuǎn)化效率仍有許多問題有待解決?，F(xiàn)已研究出利用混合菌直接發(fā)酵等技術(shù)來提高乙醇轉(zhuǎn)化率，可見其前景是相當(dāng)廣闊的。 木糖發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 最有工業(yè)應(yīng)用前景的木糖發(fā)酵產(chǎn)乙醇的微生物共有 3 種酵母菌種即管囊酵母（ Pachysolen tannophilus）、樹干畢赤酵母（ Pichia stipits）和休哈塔假絲酵母（ Candida shechatae）。這些菌屬對木糖代謝的途徑 見下圖： 纖維素間接發(fā)酵生產(chǎn)乙醇 主要過程是：利用產(chǎn)纖維素酶的微生物或纖維素酶先將纖維素糖化，變成發(fā)酵性糖，再利用酵母將其發(fā)酵成乙醇。 但由于木質(zhì)纖維素的組成成分復(fù)雜、穩(wěn)定，使得其生物降解難于迅速進(jìn)行，因此在糖化年產(chǎn) 10 萬噸 纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì) 14 前需借助化學(xué)的、物理等方法進(jìn)行預(yù)處理（見表 1）。 在生產(chǎn)中主要用的 糖化菌是曲霉和根霉。曲霉有黑曲霉 ( ) 、白曲霉和米曲霉 ( ) 等；根霉則以東京根霉（又稱河內(nèi)根霉）、黑根霉 ( ) 等應(yīng)用最廣。 酵母菌在厭氧條件下利用糖化后的葡萄糖時，先形成丙酮酸，丙酮酸脫羧形成乙醛，乙醛再在乙醇脫氫 酶作用下形成酒精。其反應(yīng)過程如下： 乙醇發(fā)酵能力最強(qiáng)的酵母菌是子囊菌岡酵母菌屬的啤酒酵母 ( Saccharomyces cerevisiae ) 。細(xì)菌中能進(jìn)行乙醇發(fā)酵的菌種不多，僅有發(fā)酵單胞菌（ Zymomonas ）、胃八疊球菌（ Sarcina ventriculi ）和解淀粉歐 文氏菌 (Erwinia amylovora ) 等少數(shù)種。它們在形成乙醇時的途徑于酵母菌不同。運(yùn)動發(fā)酵單胞菌（ Z. mobilis ）可以通過 ED 途徑發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)生酒精。 生產(chǎn)方 案確定 ，纖維質(zhì)原料具有來源廣泛、成本低廉、可再生等優(yōu)點(diǎn) 年產(chǎn) 10 萬噸 纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì) 15 ，所以產(chǎn)率很高，而且副產(chǎn)物很少，所以對于進(jìn)一步的乙醇發(fā)酵減輕了提純的工作量。 設(shè)計(jì) 及說明 ,在 21 世紀(jì)將會是主流 產(chǎn)業(yè) ,具有廣闊的前景 纖維素發(fā)酵乙醇工藝概述 目前用于生產(chǎn)木質(zhì)纖維素燃料乙醇的工藝主要有四種：分步糖化和發(fā)酵（ SHF）、同時糖化和發(fā)酵（ SSF） 、同時糖化和共發(fā)酵（ SSCF） 以及聯(lián)合生物加工（ CBP） 。本文選用 SHF工藝，下面將對各個工段的工藝流程工藝條件及工藝流程的確認(rèn)，以保證本設(shè)計(jì)的可行性和嚴(yán)謹(jǐn)性。 生產(chǎn)工藝流程 說明 預(yù)處理工序 （ 1）目的 ①切斷纖維素、半纖維素、木質(zhì)素之間的氫鍵，破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu) [9]，去除半纖 維素和木質(zhì)素，以提高纖維素的轉(zhuǎn)化率。 ②增加了原料的流動性 ，有利于連續(xù)性 生產(chǎn)。 （ 2）工藝流程 纖維素預(yù)處理通常的方法有三種：物理法、化學(xué)法、復(fù)合法。本工序采用玉米秸稈為原料，利用物理法 [10]進(jìn)行預(yù)處理，其流程圖如下圖 32 所示，經(jīng)過該工序后半纖維素、木質(zhì)素隨濾液分離，最終得到脫木質(zhì)素的纖維素進(jìn)入酶水解共序。 年產(chǎn) 10 萬噸 纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì) 16 玉米秸稈 電磁除鐵 蒸 煮（，60s）噴嘴排除突然減壓旋風(fēng)分離器蒸汽和揮發(fā)性副產(chǎn)物（糠醛等）水洗除塵水溶性物質(zhì)濕料漿 真空吸濾濾液 壓濾濾餅濾液 廢液處理車間濾渣 木質(zhì)素萃取器NaOH溶液 （20℃ ）真空過濾器濾渣濾液 壓濾中和pH=離心 濾液往濾液車間處理脫木質(zhì)素纖維素 酶水解木質(zhì)素 深加工為燃料粉碎機(jī) 調(diào)漿罐 圖 32 預(yù)處理工序流程圖 （ 3）工藝參數(shù) 預(yù)處理工序的工藝參數(shù)如下表 31所示 表 31 預(yù)處理工藝參數(shù) 名稱 工藝參數(shù) 玉米秸稈進(jìn)料組成 [25] 纖維素 % 半纖維素 % 木質(zhì)素 % 灰分 % 能被水解的纖維素含量 90% 飽和蒸汽蒸汽溫度 250℃ 飽和蒸汽壓力 原料加熱溫度 190℃ 加熱時間 5～ 30min 蒸煮醪的密度 179。 調(diào)漿罐加水比 1： 3 玉米秸稈的比熱 179。 103J/ （ 4）主要設(shè)備 年產(chǎn) 10 萬噸 纖維質(zhì)原料酒精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì) 17 本次工序的主要設(shè)備有粉碎機(jī)、調(diào)漿罐、蒸煮罐、旋風(fēng)分離器、洗塵塔、真空吸濾機(jī)、木質(zhì)素萃取器、真空過濾機(jī)、離心機(jī)、壓濾機(jī)等。 酶水解工序 （ 1）目的 通過酶水解工序，使預(yù)處理得到的濾渣中的纖維素被纖維素 酶水解 ，打斷纖維素 分子產(chǎn)生內(nèi)部的 β 1,4糖苷鍵 ， 得到可被酵母利用發(fā)酵的 還原 性葡萄糖 。 （ 2）工藝流程 酶水解工序的工藝流程圖如圖 33所示 酶水解液 真空過濾原料漿濾液濾渣 去鍋爐間發(fā)酵工序纖維素酶發(fā)酵罐玉米漿、營養(yǎng)鹽、培養(yǎng)基酶水解罐 圖 33 酶水解工序 工藝流程圖