连续发酵法3.40万吨∕年优质酒精生产装置发酵工段工艺设计小论文

化工与生物技术学院

毕业设计小论文

连续发酵法3.40万吨∕年优质酒精生产装置发酵工段

工艺设计

Continuous fermentation of 34000 tons high-quality alcohol fermentation process of industrial design

吉林化工学院

Jilin Institute of Chemical Technology

连续发酵法3.40万吨∕年优级食用玉米酒精生

产装置发酵工段工艺设计

摘要：按照成熟的连续发酵生产工艺和实际的工厂生产经验为依据，进行连续发酵法生产优级食用玉米酒精工厂的初步设计。选用安琪超级酿酒干酵母作为发酵菌种，酒精产品的质量符合食用酒精标准(GB10343-2002)的优级标准。

关键词：酒精；连续发酵；优级；设计

1 引言

能源是当今世界最令人瞩目的问题之一，目前全世界石油消耗速度以及可开发的原油储量来计算，到21世纪中期石油资源的供应将会逐渐萎缩。因此，许多国家对开发新能源的项目十分重视[1]。此外，随着人民的环保意识不断加强，被誉为可再生绿色能源的燃料酒精，由于其燃烧污染小，容易运输和贮藏在价格上也可与汽油相竞争，因此酒精最有可能成为取代石油的新能源，具有巨大的开发前景[2]。酒精是最具有发展潜力的替代品，目前世界上2/3的酒精被用作燃料[3]。剩余1/3被用来作为医务用品及饮品。高纯度食用酒精是我国配制各种白酒的主要原料。

目前，以淀粉质为原料的酒精发酵生产厂家大部分还是使用间歇发酵，这种方法投资大，设备利用率低，进行高强度的酒精发酵是解决间歇发酵弊病的唯一方法。连续发酵法具有生产损失小提高淀粉出酒率，虽短发酵时间，无空罐不仅减少了染菌生酸的机会还提高的设备利用率等优点，是一种具有重大价值的酒精发酵技术。目前一般酒精厂的料水比为1：2.6以上，采用浓醪工艺为1：2.2～1：2.4，吨酒精用水节约2t以上［4］。

2方案

2.1发酵菌种

国内外对酒精浓醪发酵的研究主要集中在两个方面：一是发酵工艺的研究，二是高产菌种的选育［5］。

在发酵工艺的研究方面，Ingledew证实了在发酵一定时间后添加酵母粉和蛋白胨可使酒精产量达20%（v/v）［6］，Thomas等通过辅加酵母抽提物、酪蛋白水解物或单一氨基酸来刺激酵母生长，使发酵周期缩短并使酒精最终含量达17%［7］。国内的研究主要集中在添加营养盐、肌醇和钙离子等营养物质来提高酒精产量。

在菌种选育方面，传统的物理和化学诱变及细胞原生质体融合技术仍是获得耐高浓度酒精菌株的最有效方法。本设计所采用的是安琪超级酿酒高活性干酵母，适合浓醪连续发酵，发酵过程酒份可达13%～14%。

在种子罐中加入10t温度为38～40℃的底水，糖化醪20t，再加入干酵母50kg轻微搅拌，静置保温10分钟，降温至32℃加入营养盐，再流加3～4t糖化醪和微量的无菌空气进行复水活化。

酒精发酵质量的好坏及发酵时间的长短与发酵温度的关系极为密切。温度过高时增加了酒精对酵母的毒性，酵母发酵酶系活力呈现钝化，发酵产生酒精速度减慢，温度较低时酵母的发酵能力随温度升高而升高，发酵产生乙醇的速度加快，此外温度升高有利于与酵母菌竞争葡萄糖的乳酸菌的生长，从而影响发酵效率，提高生产成本。所以针对此问题，根据酵母的特性及生产经验，本设计采用分段控制温度，种子罐的温度控制在31～32℃，预发酵罐31～33℃，主发酵及后发酵罐温度均控制在30～33℃。

2.3 发酵pH

发酵过程中乳酸菌大量繁殖是阻碍连续发酵广泛用的主要原因。适当降低发酵醪的pH 值，是防止杂菌污染的有效措施之一。pH值可用稀硫酸的加入量来控制，而且酵母菌内的酶系对pH值很敏感，适宜的pH可显著提高发酵效率，缩短发酵时间，增加产量。根据生产经验，酵母醪的pH值控制在3.6～3.8之间较为合适。

2.4 营养盐的种类和投入量

玉米颗粒中含有丰富的营养成分可以满足代谢需要，有关实验表明在发酵罐中投入营养盐（硫酸铵或磷酸氢二铵或尿素）后，酵母细胞数量明显增加，最好水平为2.0～3.0亿/ml。酵母醪的成熟时间比不加营养盐时间明显短，且酵母发酵状态好，单个酵母细胞个体大、饱满，出芽率高，健壮，抗杂菌能力强，发酵时间短。Thomas和Ingledew证实，在高浓度发酵中主要是营养物质缺乏，而不是积累的酒精导致发酵活性降低。Casey也指出抑制酿酒酵母收购年产酒精的因素不是酒精毒性，而是营养物质，如果满足它的营养需求，可能会增加酒精发酵的最终酒精浓度。在发酵中可能缺乏的营养物质包括低分子氮，维生素，无机盐如锌、磷、硫、镁、钙等，如果在适当时机提供给酵母，将会出现二次生长曲线，防止了酵母提前出现老化，增加了发酵效率，缩短发酵时间。本设计选择增加营养盐的投入量，使酵母数量控制在2.5～3.5亿个/mL，提高酵母的数量、大小和出芽率，缩短发酵时间。

本设计加入的营养盐主要为尿素（总氮>46.4%）和磷酸二铵（料浆法生产，总养分≥64.4%），在40℃以下溶解于营养盐罐内，经泵流加至21，31和61罐，速度为尿素和铵盐各0.017m3/h。

2.5 通气与搅拌

发酵过程通气搅拌一方面可以激活酵母，另一方面是发酵罐中的醪液充分翻拌混合均匀，防止滞留和滑料。在浓醪发酵过程中，发酵液中有限的氧可以为酵母菌提供合成细胞的原生质膜和线粒体中的聚不饱和脂肪酸和类脂质，从而保护细胞膜的完整性，利于酒精发酵。有文献研究表明种子罐采取通风搅拌，使酵母快速繁殖，其它罐根据实际情况采取间歇时通风搅拌可以抑制酵母菌的繁殖，进行无氧发酵，使发酵率达到92～93%[8，9]。本设计对种子罐进行连续式通风式搅拌，减少机械搅拌对酵母的损害，同时为酵母生长提高所需的氧，打回流促进醪液充分混合；发酵罐则采用间歇式机械搅拌，因其体积较大通气搅拌效果有限。

发酵过程主要利用酵母在厌氧的环境下将糖化醪中的可发酵性糖转化为酒精和二氧化碳。酒精发酵可分为间歇发酵和连续发酵。连续发酵法是指以一定的速度向发酵罐内添加新鲜培养基，同时以相同速度流出培养液，从而使发酵罐内的液量维持恒定的发酵过程。连续发酵可分为单罐连续发酵和多罐串联连续发酵等方式。在单罐连续发酵中，由于发酵液在不断搅拌，一部分刚流入的发酵基将随发酵液一起流出，以保持发酵罐内液位的恒定。连续发酵法具有生产损失小提高淀粉出酒率，虽短发酵时间，无空罐不仅减少了染菌生酸的机会还提高的设备利用率等优点，是一种具有重大价值的酒精发酵技术。在实际生产中能大大降低生产成本，提高产率。在连续发酵过程中糖化醪采用浓醪，葡萄糖浓度过高,它对酵母菌的发酵和呼吸作用都产生抑制作用，在一定程度上影响了发酵效率，但是采取边糖化边发酵法，可适当降低抑制作用，而且酒精的产量也会提高，设备的利用率也会增加。因此考虑到酵母的特性和参考工厂的成熟工艺，本设计选择在连续发酵的基础上半糖化法与浓醪发酵法相配合，降低底物抑制作用，增强酵母的发酵强度，提高产率和设备利用率。

简易流程叙述：两个种子罐（31、41罐）并联使用，连续不断的向预发酵罐（61罐）加入种子液，在经泵依次进入主发酵罐及后发酵罐（81罐、82罐为主发酵罐，83罐、84罐为后发酵罐），最后进入成熟醪中间罐（11罐）。

一旦61罐发生染菌或者需要维修等特殊情况需要停止使用时，主发酵罐81罐将作为预发酵罐使用，以保证发酵正常进行。

2.7 发酵罐的冷却

发酵工段采用大罐连续发酵技术与浓醪发酵技术相配合，操作容易控制，整个发酵过程都是封闭的不易染菌。发酵是产热过程，因此发酵罐的露天建设有利于散热，减少冷却水的使用量和建筑成本，节约成本。

本设计中发酵罐中物料温度主要是由螺旋板换热器在罐外控制。此类换热器具有传热性能好，有自清洗功能，密封性好，不易染菌，换热面积大，设备紧凑等优点。如果采用罐内加蛇管进行控温的话，发酵罐的体积会减少，清洗时容易有死角，易染菌。而且，物料经换热器换热后再回到发酵罐中，在控温的同时还可以控制发酵罐内物料的液位。

结论

（1）发酵成熟醪规格

发酵结束后，发酵成熟醪的pH值在3.4～3.6之间；锤度（Bx）为-0.3～1；残还原糖的量为0.1%～0.3%；挥发酸为0.1%～0.25%；残总糖为0.6%～1.4%；酒份可达到13%～14%。（2）本设计为了实现浓醪发酵，采用安琪超级酿酒高活性干酵母，该酵母发酵能力强，耐酸，耐酒精能力，非常适合淀粉质原料的浓醪发酵；酵母扩大培养时加入适量的营养盐，使酵母细胞饱满，出芽率高；采取分段控制发酵温度的方法，更有利于提高发酵效率；采用的料水比为1:2.2，这是保证此设计为浓醪发酵的前提。正常发酵时间55h左右，可以达到酒分13～14%，比以往工艺减少了5小时左右，缩短发酵时间，提高了设备的利用率，在一定