日耗1000吨纤维素制乙醇的工厂设计(完整版)

日耗1000吨纤维素制乙醇的工厂设计

摘要

纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。

本次设计的主要任务是设计以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的生物质能工厂中原料预处理和SSCF发酵工段的具体流程，依据设计的工艺流程图进行物质恒算，列出系统内主要物质流的组成与性质，根据物料衡算结果，估算理论的原材料，辅料消耗与乙醇的生产速率，估计工厂的生产能力，依据物料衡算结果进行基本设备选型，绘制工艺流程图和典型准备的设备安装图。

关键词：纤维素乙醇预处理糖化发酵工艺设计

前言

随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。

尽管木质纤维素原料本身非常廉价，但是将其转化成乙醇的工艺过程非常复杂，需要大量的能耗，致使单位乙醇的经济效益并不具备较强的市场优势，纤维素制乙醇的工艺过程还需要很大改变。目前为止，全世界已经建有几十套纤维质原料经纤维素酶水解成单糖的中试生产线或小试生产线。美国的Gulf oil Chemical公司建成了可处理1t/d纤维废料的中试车间，年产纯乙醇2亿升，乙醇产率为27.7%。加拿大的Imogen生物技术公司，在渥太华开设了以麦秸为原料的3.2万加仑/年纤维素乙醇厂，采用稀酸结合蒸汽气爆预处理半纤维素，随后用纤维素酶水解，分离后的液体进行木糖和葡萄糖联合发酵。经评估，其生产成本比谷物乙醇高出30%～50%。

中国正在积极利用纤维素乙醇作为主要的生物能源，加快以纤维素乙醇为核心的综合技术开发，尽早实现其产业化发展的目标。相信经过“十一五”计划的实施，在“十二五”期间中国在利用纤维素废弃物制取燃料乙醇方面，必将取得更大的进展，为缓解液体燃料短缺、促进环境保护和社会可持续发展等方面发挥重要作用。

本次设计的主要任务是设计以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的生物质能工厂中原料预处理和SSCF发酵工段的具体流程，依据设计的工艺流程图进行物质恒算，列出系统内主要物质流的组成与性质，根据物料衡算结果，估算理论的原材料，辅料消耗与乙醇的生产速率，估计工厂的生产能力，依据物料衡算结果进行基本设备选型，绘制工艺流程图和典型准备的设备安装图。

本次专业课程设计我查阅了关于以玉米秸秆为原料生产燃料乙醇的生物质能工厂设计方面的很多资料，还采用了一些来自于工厂实际生产中的技术参数。我在设计过程中难免会出现一些错误和设计不足的地方。恳请各位老师提出宝贵的改进意见。

1.总论

1.1纤维素乙醇简介

纤维素乙醇（Ligno-cellulosic Bio-Ethanol）：纤维素生物质是由纤维素(Cellulose 30-50%），半纤维素（Hemicellulose20-40%），和木质素（Lignin 15-30%）组成的复杂材料。纤维素分子是由n个葡萄糖苷通过β-1,4糖苷键连

接起来的链状聚合体，纤维素大分子之间通过氢键聚合在一起形成纤维束。半纤维素是一大类结构不同的多聚糖的统称，这类聚糖包括葡萄糖、甘露聚糖、半乳聚糖、木聚糖、阿拉伯聚糖以及果胶，而木聚糖占组分的一半以上。木质素是由苯基丙烷结构单元通过碳~碳键连接而成的具有三维空间结构的高分子聚合物。半纤维素位于许多纤维素之间，就像一种填充在纤维素框架中的填充料；而木质素是一种镶嵌物质，在纤维素周围形成保护层。

纤维素、半纤维素和木质素在不同原料中所占的比例各不相同，故利用的难易程度也会有差异。一些常见的植物纤维素各组分比例见表1.

纤维素生物质中的糖以纤维素和半纤维素的形式存在。纤维素中的六碳糖和和玉米淀粉中含有的葡萄糖一样，可以用传统的酵母发酵成乙醇。而半纤维素中含有的糖主要为五碳糖，传统的酵母无法经济地将其转化为乙醇，每一种植物的

确切成分都不尽相同。纤维素存在于几乎所有的植物生命体中，是地球上最丰富的分子。一直以来，将纤维素生物质转化成乙醇是科学家们面对的巨大挑战。酸、高温等苛刻的条件都曾经被用来尝试将纤维素分子打断、水解成单一的糖。

随着石油资源的逐渐枯竭和环境的日益恶化，大力推广使用可再生能源技术已成为许多国家能源发展战略的重要组成部分，以减少对化石能源的依赖和温室气体的排放。

纤维素乙醇技术，是一种高端的清洁能源技术，因为它可以被用来替代传统的粮食乙醇技术，利用地球上广泛存在的纤维素质生物原料生产清洁的乙醇燃料，被寄予了很高的期望。

1.2纤维素制取乙醇的基本原理

纤维素废弃物的主要有机成分包括纤维素、半纤维素和木质素三部分。前二者都被水解为单糖，单糖再经发酵生成乙醇，而木质素不能被水解，且在纤维素周围形成保护层，影响纤维素水解[9]。

半纤维素是由不同多聚糖构成的混合物, 聚合度较低, 也无晶体结构, 故较易水解。半纤维素水解产物主要是木糖, 还包括少量的阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖, 含量因原料不同而不同。普通酵母不能将木糖发酵成乙醇, 因此五碳糖的发酵成为研究的热点。

纤维素的性质很稳定, 只有在催化剂存在下, 纤维素的水解反应才能显著地进行。常用的催化剂是无机酸和纤维素酶, 由此分别形成了酸水解和酶水解工艺, 其中的酸水解又可分为浓酸水解工艺和稀酸水解工艺。纤维素经水解可生成葡萄糖, 易于发酵成乙醇。

木质素含有丰富的酚羟基、醇羟基、甲氧基和羰基等活性基团, 可以发生氧化、还原、磺甲基化、烷氧化和烷基化等改性反应。通过木质素改性和综合利用, 可提取许多高附加值的化学产品, 为提高木质纤维素生产燃料乙醇的经济性开辟了新的途径, 日益受到科技工作者得重视。

1.3纤维素制取燃料乙醇的关键技术

由于木质素、半纤维素对纤维素的包裹作用以及纤维索本身的结晶状态，天然形态的纤维素很难直接被微生物利用转化为乙醇，一般通过预处理、水解和发酵3个关键步骤，木质纤维素原料才能高效转化为乙醇。预处理可以破坏纤维素的结晶结构，去除木质素和半纤维素，扩大纤维素酶在纤维素表面上的接触面积；酶解过程是在纤维素酶的作用下将纤维素转化为以葡萄糖为代表的可发酵糖；再利用各种微生物发酵葡萄糖生成乙醇。

1.4纤维素制取燃料乙醇的生产工艺

纤维素燃料乙醇的生产工序包括：原料预处理、纤维素和半纤维素水解糖化，五碳糖与六碳糖的发酵，蒸馏脱水等。木质纤维素先经过化学或物理的方法进行预处理，使纤维素与木质素、半纤维素等分离；纤维素可水解为葡萄糖，半纤维素可水解成木糖、阿拉伯糖等单糖。五碳糖和六碳糖经过发酵得到发酵成熟醪，