木薯生产乙醇的工艺
年长1万吨无水乙醇的生产工艺及设备方案【摘要】【关键词】燃料乙醇 生产工艺 物料衡算 设备选型【正文】1、前言 无水乙醇是一种应用很广泛的有机溶剂，是一种可再生的生物能源。其中燃料乙醇被认为是替代和节约汽油的最佳原料之一，能和汽油以一定的比例混配成一种车用原料。乙醇的生产有化学合成法和生物发酵法，随着全球石油的缩减，化学合成已受限制，生物发酵生产乙醇受各方推崇和应用。生物发酵法是利用淀粉质原料或糖质原料，在微生物作用下生成乙醇的方法。淀粉质原料生产乙醇过程包括：原料粉碎、蒸煮糖化、酒母制备、发酵及蒸馏精制等工序。2、燃料乙醇2.1乙醇性质 酒精是一种无色透明、易挥发，易燃烧，不导电的液体。有酒的气味和刺激的辛辣滋味，微甘。学名是乙醇， 分子式C2H6O，（酒精燃烧C2H5OH＋3O2=2CO2↑＋3H2O）因为它的化学分子式中含有羟基，所以叫做乙醇，比重0.7893(20／4°)。 乙醇的分子量：46
外观与性状： 无色液体，有酒香。
燃点：75℃ 熔点：-114.1℃ 沸点（一标准大气压下）： 78.3 ℃
相对密度(水=1)： 0.79 相对蒸气密度(空气=1)： 1.59 饱和蒸气压(kPa)： 5.33(19℃)
燃烧热(kJ/mol)： 1365.5
临界温度(℃)： 243.1临界压力(MPa)： 6.38
辛醇/水分配系数的对数值： 0.32闪点(℃)： 12
引燃温度(℃)： 363
爆炸上限%(V/V)： 19.0爆炸下限%(V/V)： 3.3 2.2类别和主产品 工业乙醇（该方案的产品是燃料乙醇）工业酒精含乙醇96%以上，还含少量甲醇和其他物质。 甲醇是有害的。它可以挥发，对呼吸系统有害。有人用工业酒精（含甲醇的乙醇）做酒，饮用后可导致失明。 食用乙醇：食用酒精使用粮食和酵母菌在发酵罐里经过发酵后，经过过滤、精馏来得到的产品，通常为乙醇的水溶液，或者说是水和乙醇的互溶体，食用酒精里不含有对人体有毒的苯类和甲醇。 药用乙醇：乙醇含量在75％左右无水乙醇：无水乙醇的酒精含量极高，分为化学纯和分析纯，化学纯的含量大于等于99.5%，分析纯的含量在99.9%以上。 燃料乙醇是指未加变性剂的、可作为燃料用的无水乙醇。燃料乙醇可缓解能源紧张，减少环境污染，促进农业发展。3、生产工艺3.1总流程双酶糖化间歇（或连续）发教酒精流程示意图a-淀粉酶 糖化酶 ↓ ↓薯干→粉碎机→调浆罐→连续蒸煮器→蒸煮醪→糖化锅 废槽 ↖ ↓酒精←分子筛脱水 ← 蒸馏←成熟发酵醪←发酵醪←糖化醪杂醇油 ↙↙ ↓ ↙ ↓ 酵母种→斜面试管→摇瓶培养→小酒母罐→大酒母罐↑ ↗↓ 空气→空压机→过滤器→无菌空气 酒母醪3．2原料及原料预处理3.2.1原料 薯干：含淀粉68％，水分13％，直接从市场购买。水：包括粉料液化糖化用水、发酵用水、蒸馏车间用水和清洗用水等，都利用城市自来水或是自来水经过一系列灭菌消毒的无菌水。淀粉酶和糖化酶：a-淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为100u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量200u/g原料。硫酸和硫酸铵等：硫酸铵用量8kg/t（酒精），硫酸用量（调pH用）5.5kg/t（酒精）。乙醇酵母：发酵用的菌种，将糖化醪发酵产生乙醇、CO2和其他副产物。3.2.2原料预处理 薯干预处理示意图原料薯干→筛选→浮选→磁选→破碎→制浆→液化（糊化） ↓ ↓ ↘↓纤维、泥沙 石块、砖块 铁杂糖化 ← 冷却 ↑ 糖化酶3.2.2.1原料除杂和粉碎（1）淀粉质原料在收集时，会混进沙土、杂物，甚至金属夹杂物等。一般采用先振动筛筛选，再磁力除铁器磁选以除去杂质。（2）淀粉质原料中淀粉颗粒常以颗粒状态储存于细胞中，不宜被直接利用。粉碎后有利于增加原料表面积，加快吸水速度，缩短水热处理时间；有利于淀粉酶的作用，提高淀粉的转化率，同时有利于原料在生产过程中的输送。粉碎方法有干式粉碎和湿式粉碎，此次采用湿式粉碎进行生产（3）由粉尘损失造成的淀粉损失率约为0.40％。3.2.2.2水热处理（液化）和连续蒸煮糖化（1）淀粉的液化：是利用淀粉液化酶使糊化的淀粉黏度降低，并水解成糊精和低聚糖的过程。 使用耐高温的a-淀粉酶，采用95℃的处理温度，使用普通a-淀粉酶，采用85℃处理温度。现采用低压喷射液化器来完成淀粉的液化。调浆温度为50℃，喷射液化器使粉浆迅速升温至105 ℃，进入维持管保温液化5~8min，真空闪急蒸发冷却至95 ℃进入液化罐反应约60min后，进真空冷却器冷却至63 ℃后糖化30min。低压喷射液化处理工艺粉料→加水制浆→喷射液化→保温液化→冷却糖化 ↑ ↑ a-淀粉酶蒸汽 （2）淀粉的糖化：是利用糖化酶将淀粉液化的产物进一步水解成葡萄糖的的过程，并为发酵提供含糖适量并保持一定酶活力的无菌或极少杂菌的醪液。 糖化温度一般根据糖化酶的最适作用温度进行控制，即58~60℃为宜，糖化酶作用的最适pH为4.2~5.0。醪液的pH太高或太低都将破坏酶的活力，不利于糖化。 糖化酶用量一般为每克淀粉使用80~150U，视原料品种、糖化方式等定量。 糖化时间不宜过长，一般在15~25min的范围，也可以根据糖化醪进行调控，即以产生25％~35％的还原糖的时间为宜。蒸煮糖化中由于淀粉残留及糖分破坏造成的淀粉损失约为0.40％。3.2.2.3乙醇酵母的培养 麦芽汁 麦芽汁 麦芽汁 糖化醪琼脂 →↓ ↓ ↓ ↓酵母→斜面试管→液体试管→三角瓶培养→卡氏罐培养→小酒母罐培养→大酒母罐培养→发酵罐 ↖ ↗糖化醪 乙醇酵母的培养（酒母1：10扩大培养）（1）原菌种斜面培养：麦芽汁琼脂，25~30℃培养3~5天（冰箱4℃保存备用）。（2）液体试管：10°Bx麦芽汁，灭菌冷却至25~30℃，无菌接种置25~30℃培养20h。（3）三角瓶培养：1/3麦芽汁和2/3糖化醪， 25~30℃培养12~14h，pH4~6（4）卡式罐培养：糖化醪，25~30℃培养12~14h，pH4~6（5）小酒母罐、大酒母罐培养：糖化醪，25~30℃培养12~14h，pH4~63.3乙醇发酵 ——菌种：乙醇酵母；培养基：薯干糖化醪→发酵醪；pH:4.2~4.5（1）前发酵期：醪液中酵母密度小，酵母进行适应，发酵作用不强。实际生产时，酒母量在10％左右，前发酵期时间为6~8h，连续发酵时，前发酵期基本不存在。（2）主发酵期：酵母不再大量繁殖，而主要进行乙醇发酵，发酵作用强烈，糖分消耗迅速，乙醇逐渐增加。主发酵温度控制在30~34℃ 不得高于34~35℃，发酵时间一般为12~15小时。（3）后发酵期：醪液中的糖分已大部分被发酵，但醪液中残存的糊精等多糖成分继续被转化为可发酵性糖，酵母把它转化为乙醇。后糖化作用速度比糖发酵速度要慢得多，乙醇和CO2生产量减少，表观看来气泡不断产生，但醪液不再翻动。后发酵期一般需40小时左右才能完成，保持醪液温度在30℃±1℃ 。（4）发酵过程中的淀粉损失率：发酵残糖——1.3％巴斯德效应——4.0％酒气自然蒸发与被CO2带走——0.30％ （若有酒精捕捉器，损失为0.30％）3.4分离纯化和蒸馏精制分离纯化工艺流程图发酵罐→泵→醪塔→浓缩塔→粗酒精→分子筛塔A、B→冷凝↖ ↗ ↑ ↓蒸汽 蒸汽无水乙醇过程中的淀粉损失率：（1）废槽带走等——1.60％
（2）脱水损失——1.0％3.5副产品利用和废水废渣处理酒精槽→固液分离→滤液→处理→澄清液→回用及生物处理 ↓ ↓ 滤渣→饲料 ← 泥浆4、物料衡算（1）生产方法：双酶糖化、间歇发酵、塔蒸馏。（2）生产天数：每年300d。 （3）燃料酒精日产量：344t。（4）燃料酒精年产量：100200t。（5）产品质量：国际燃料酒精，乙醇含量99.5％以上（体积分数）（6）主原料：薯干原料含淀粉68％，水分13％。（7）酶用量：a-淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为100u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量200u/g原料。（8）硫酸铵用量8kg/t（酒精），硫酸用量（调pH用）5.5kg/t（酒精）。一 、原料计算①糖化：（C6H12O5）n + nH2O → n C6H12O6 （1-1） 16218 180发酵：C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2CO2 （1-2）180 46×2 44×2②生产1000kg燃料酒精的理论淀粉消耗量由（1-1）和（1-2）求得：1000×99.18％×162÷92＝1746.5（kg）燃料酒精体积分数99.5％换算成质量分数为99.18％。③生产1000kg燃料酒精的实际淀粉消耗量表（3-1） 生产过程各阶段淀粉损失率生产过程损失原因淀粉损失率％备注原料处理粉尘损失0.40蒸煮糖化淀粉残留及糖分坏0.40发酵发酵残糖1.3发酵巴斯德效应4.0发酵酒气自然蒸发与被CO2带走0.30加酒精捕集器0.30％蒸馏废槽带走等1.60脱水脱水损失1．0总计损失9.01746.5÷（100％－9.0％）=1919.2（kg）④生产1000kg燃料酒精的薯干原料消耗量薯干原料含淀粉68％，水分13％1919.2÷68％=2822.4（kg）⑤a-淀粉酶消耗量应用酶活力为20000u/g的a-淀粉酶液化酶用量：2822.4×1000×8÷20000=1.29（kg）⑥糖化酶耗量糖化酶活力为100000u/g。使用量为100u/g原料2822.4×1000×100÷100000=2.82（kg）此外，酒母糖化酶用量按200u/g（原料）计，且酒母用量为10%2822.4×10%×70%×200÷100000=0.395（kg）式中70%为酒母的糖化液占70%。其余为稀释水与糖化剂。两项合计，糖化酶用量为3.215kg。⑦硫酸铵耗用量作为补充氮源，其用量为酒母用量的0.1%。二、蒸煮醪量的计算淀粉原料连续蒸煮的粉料加水为1:2，故粉浆量为：2822.4×（1＋2）=8467.2（kg）经喷射液化连续蒸煮,最终蒸煮醪液量为8597.4kg。三、糖化醪与发酵醪量的计算设发酵结束后成熟醪量含酒精10%(体积分数)，相当于8.01%（质量分数）。并设蒸馏效率为98.4%，而且发酵罐酒精捕集器回收酒精洗水和洗罐用水分别为成熟醪液的5%和1%，则生产1000kg99.18%（质量分数）酒精成品计算如下：① 需蒸馏的成熟发酵醪量为：F=1000×99.18%÷98.4%÷8.01%×（100+5+1）÷100=13338.4(kg)② 若不计酒精捕集器和洗罐用水，则成熟发酵醪量为：13338.4÷106%=12583.4（kg）③ 入蒸馏塔的成熟醪乙醇浓度为：1000÷98.4%÷13338.4=7.62%（质量分数）④ 相应发酵过程放出CO2总量为991.8÷98.4%×44÷46=964.1（kg）⑤接种量按10%计，则酒母醪量为m：（2583.4+964.1）÷【（100+10）÷100】×10%=1231.6（kg）⑥酒母醪的70%是糖化醪，其余为糖化剂和稀释水，则糖化醪量为：（2583.4+964.1）÷【（100+10）÷100】+1231.6×70%=13178.0（kg）四、10000t/a薯干原料酒精厂总物料衡算① 酒精成品日产燃料酒精量为：10000÷300=33.3（t），取整数位34t/d实际年燃料酒精总产量为：34×300=10020（t/a）② 主要原料薯干用量日耗量为：2822.4×34=95961.6（kg/d）年耗量为：95961.6×300=2.879×106（kg）=282885（t/a）表（4-1）10000t/a薯干原料酒精厂物料衡算表物料﹨数量生产1000kg燃料酒精物料量/kg每天数量/t每年数量/t燃料酒精10003410020薯干原料2822.495.961628788.48a-淀粉酶1.1290.0383911.5158糖化酶3.2150.1093132.793硫酸铵1.2320.0418912.5664硫酸5.50.18756.1蒸煮粉浆8467.2287.88586365.44成熟蒸煮醪8597.4292.31287693.48糖化醪13178448.052134415.6酒母醪1231.641.874412562.32蒸馏发酵醪13338453.506136051.7二氧化碳964.132.77949833.82废醪13550460.697138209
木薯也是酒精工业的主要原料，用木薯生产酒精具有工艺简单，成本低等特点，根据发展趋势估计，如果能够在汽油中添加10%的燃料酒精，那么每年汽车用燃料就需要消耗300万t以上的酒精，而目前我国的酒精生产能力约为200万t。如果能以木薯替代部分原料生产酒精，则我国原料供应大大不足。
木薯喜温暖气候，耐旱耐瘠，我国宜植木薯范围广，荒丘多，旱地面积大。因此，在不与主要作物争地和根据实际需要适当安排的原则，同时结合造林种草和旱地作物栽培等，采用与林地、果树、豆类和草场等作物间种或轮作的方式因地制地发展木薯生产，可发挥本地区的自然优势，扬其所长，适于本地区种植结构和作物布置的需要，利于充分合理地利用植物和光热水土资源，生产大量价廉质优的食物、饲料和淀粉原料。我国每年可出口木薯产品30万～50万t，创汇3000万～5000万美元。可缓解华南地区的饲料短缺问题，利于发展本地区的饲料工业、淀粉工业和养殖业，对于发展乡镇企业，振兴地方经济，解决部分劳动力就业问题，有重要的战略意义。
作为饲料，木薯可以代替配合饲料中的谷类成分，作畜禽的热能饲料，其价格比玉米低1/3以上，可把占配合饲料成分的价格降低30%。在实际应用中，肉料比为3.7～4.0，与喂玉米的无异，但每头猪比喂玉米的可节约成本10元，有良好的经济效果。
在工业的开发利用上，用木薯生产山梨醇与用其他原料相比，每吨成本可降低30%；用木薯干片采用双酶法直接糖化的新工艺生产酒精，每吨成本比用谷类淀粉可降低1000元；用薯干片生产乳酸其成本可降低100%。利用木薯生产单细胞蛋白，其质量相当于二级进口鱼粉，可代替进口鱼粉，节约大量外汇开支，在开发利用上有较强的竞争能力。
综上所述，可见木薯在充分利用土地、劳力和自然资源，发展旱地农业，在工业的开发应用，发展乡镇企业，为乡村农户提供生财致富的途径等方面，无疑都有重要的社会和经济意义。
制造燃料乙醇的原料分为三种：
1、玉米、小麦等粮食作物；
2、红薯、木薯、甜高粱等非粮作物；
3、农作物秸秆、林业加工废料、甘蔗渣及城市垃圾中所含的废弃物。
燃料乙醇的主要原料有雅津甜高粱、玉米、木薯、海藻、雅津糖芋、苦配巴树等。
扩展资料：
燃料乙醇拥有清洁、可再生等特点，可以降低汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物的排放。未来我国燃料乙醇行业的重点是降低生产成本、减少政府补贴。
为此制定生物燃料乙醇生产过程的消耗控制规范，及产品质量技术标准，统一燃料乙醇生产消耗定额标准，包括物耗、水耗、能耗等，是降本增效的有力手段。
参考资料来源：
百度百科-燃料乙醇
我国从21世纪初才开始发展燃料乙醇，广西中粮是目前全球第一个也是唯一一个正在运行的木薯燃料乙醇生产基地。2006年底开工建设，年产20万吨燃料乙醇。
近年来我国耕地减少数量大、速度快，年均减少1000万亩以上，随着城镇发展、道路与厂矿建设，灾毁耕地，以及生态建设的退耕等多方面原因，我国耕地减少局面还将持续；另一方面，近年来我国粮食播种面积连年下降，随着市场经济的发展和农业结构调整的深化，以及粮食生产直补政策的实施，在各种因素综合作用下粮食占总播比例反弹的空间也有限，于是，粮食产量的回升幅度也很有限，粮食产销缺口将长期持续存在。据预测，2005年、2010年我国粮食产销缺口量分别为3000万吨、3500万吨左右。我国人多地少，耕地的粮食生产和供给任务异常艰巨。因此，燃料乙醇谷物类原料应立足于陈化粮，不宜占用非陈化粮。
2、原料多元化势在必行。
“十五”期间我国燃料乙醇已在北方地区建设了一定规模的以玉米为原料的示范项目，但玉米供需状况吃紧，生产压力也很大。据农业部《畜牧业“十五”计划和2015远景目标规划》、国家粮油信息中心、FAPRI（美国食品和农业政策研究协会）等三个部门（单位）的分析和预测，共同趋势性结果表明：中国对玉米的需求呈增长趋势，平均年增量约300万吨。换言之，3－4年我国对玉米的需求量就要增加约1000万吨。2003年全国玉米产量11583万吨，目前，产需基本持平，根据玉米单产提高的幅度、耕地资源状况、农业结构调整和粮食直补政策等多种因素的综合分析和预测，我国玉米生产在近年内仍可获得一定幅度的恢复性增产，但增长空间很不大，上世纪九十年代末玉米生产过剩和积压的局面很难出现。为此，单一以玉米为原料的燃料乙醇发展空间受到极大牵制，恐难长久支撑我国燃料乙醇产业的持续发展，原料多元化在所难免，势在必行。
3、通过改变甘蔗糖厂的生产工艺制取燃料乙醇。
2003年我国甘蔗产量9024万吨，产糖940多万吨。近年，甘蔗产糖量占我国食糖总产量88％左右（砂糖），是我国食糖的根本原料。人均食糖消费量8kg，相当于世界食糖人均消费量的40％，随着社会的发展和生活水平的提高，我国食糖人均消费量与消费总量都将继续提高，对食糖原料甘蔗的需求量也将随之增加。广西，2003年种植面积和产量分别占全国50．3％、53．9％，是全国最重要的蔗糖生产基地。然而，受农业生产形势、投入产出效益等因素影响，广西提出压甘蔗扩木薯的农业产业化发展规划，为此，甘蔗种植形势不容乐观。
通过改变糖厂现有煮糖生产工艺，以糖厂废蜜或乙蜜为原料发酵制取乙醇，不失为可行的生产方案。据测算，如果广西一半的糖厂采用上述生产工艺，乙糖蜜即可满足一个年产30万吨／年乙醇厂的原料需求。
4、重视木薯作为燃料乙醇原料的开发潜力。
研究结果表明，木薯作为燃料乙醇原料的综合效益比较居第二位，应予以重视。木薯，具有适应性强、耐旱、耐贫瘠等特点，与其他作物相比，具有投入少，省工、省肥，可以间作套种等优势。我国木薯主要分布在广西和广东，其中又以广西为根本，2002年全国木薯种植面积43．7万公顷，鲜木薯总量591万吨，广西占全国的三分之二，单产17．8吨／公顷，高于全国平均水平。目前，广西也是全国木薯加工第一大省，加工的淀粉、变性淀粉、酒精等系列产品，处于国内领先地位。
我国木薯生产长期以来不受重视，品种单一、种性退化较严重，种植粗放、单产量低，集约化程度低。目前，优良木薯品种单产一般在30吨／公顷（2吨／亩）以上，如果大力推广良种化木薯总产量将大幅度提高。另一方面，广西拥有旱地和坡地约200万公顷（3000万亩）以上，适于发展木薯生产，发展空间比较大。广西农业发展规划提出：2008年广西木薯种植面积要达到50万公顷（750万亩），届时木薯总产量有望超过1000万吨，其中，1／3以上的产量可用于生产酒精，可生产燃料乙醇50万吨以上，木薯作为燃料乙醇原料的开发潜力巨大。
对策建议
1、燃料乙醇谷物类原料应立足于陈化粮，并限量使用，年消耗陈化粮不宜高于1000万吨。
2、燃料乙醇原料多元化势在必行，“十一五”燃料乙醇原料的选择应关注甘蔗、木薯和红薯等原料，并积极地进行开发。
3、出于原料多元化、燃料乙醇消费分布、运输等因素考虑，“十一五”期间宜在南方地区布设燃料乙醇项目。
