《发酵工程与设备》课程设计说明书
一、总论 1.1 概述
中国的酒精工业始于1900年黑龙江省哈尔滨市，虽经1900~1949年月50年的演变和设备技术的发展，但全国酒精总产量还不到1万吨。1949~2000年，中国的酒精产量迅速增长到300万吨，跃居世界第三位。新中国成立后，历经50年的发展，初步形成了企业生产、工程设计、科学研究、人才培养、设备制造综合利用、环境保护、标准制定、检验检测、成品运输、产品销售等一个完整的酒精工业体系。中国现有发酵法酒精生产能力已达500万吨，其中年产5万吨以上的企业10家（最大的华润酒精有限公司年产24万吨）、3万吨级的企业20家、万吨级的企业70家。中国酒精产业虽然有专业厂200家，设有酒精车间的企业700家，总体上看，生产规模小、生产技术落后的小型酒精企业的数量还很多。
酒精的化学名称是乙醇，分子式C2H5OH，相对分子质量46.07.分析纯级的无水乙醇是无色透明、易挥发、具有特殊芳香和强烈刺激味的易燃液体等性质。
酒精的用途俺需求量多少可分为三方面：用量最大的燃料酒精；调制酒精饮料用的食用酒精；化工医药用酒精。
目前中国酒精产品以食用酒精（GB 10343—2002）为主产品，此外还有一定产量的高纯度酒精、化学试剂用无水酒精、化学试剂95%分析纯酒精和工业酒精等。中国发酵法生产酒精的原料主要是玉米、小麦、大米、薯类、糖蜜等，陈化粮也开始有一定比例的使用。
中国酒精的快速发展是从20世纪90年代开始的近事多年。2002年9月1日开始实施的食用国家标准（GB 10343—2002）标志着中国酒精生产的质量水平已基本接近国际上发达国家酒精标
准。
发酵法生产酒精的能力将成为一个国家经济实力的标志。因为作为可再生能源的酒精，在经历一个多世纪的发展中，始终与能源密切相关，特别是巴西从1975年久开始的以甘蔗、糖蜜为原料生产酒精的成功实践，提醒各国政府：10%以上的能源添加储备在自己的国土上。
一个国家，尤其是石油资源匮乏的国家如果能自主解决10%以上的能源添加，对发展本国经济、维持国家安定将起到极其重要的作用。垄断石油资源、争取石油资源造成的两次石油危机，两次伊拉克战争均与石油有直接关系。
现在可以说石油和用于乙醇发酵的谷物等原料都源于太阳能的储备。发酵法生产乙醇比石油更有优势的地方是发酵法效率高，其原料年年种、年年收，不用像开采石油那样投资巨大。根据当今农业、酒精生产能力、改造汽油发动机和柴油发动机的能力，相信不久的将来，一个良性循环的能源资源将更多地出现在世人面前。
1.2 设计依据
1.2.1 长春工业大学生物技术（工程）课程设计指导书。 1.2.2 长春工业大学生物技术（工程）课程设计任务书。 1.2.3 《发酵工程与设备》 、 《发酵工艺原理》 、《发酵工厂工艺设计概论》 、《化工工艺设计手册》及生物技术（工程）专业基础理论课本等参考资料。
1.3设计指导思想
1.3.1尽量采用先进的生产技术与设备，认真吸取和借鉴国内外各种产品生产的成熟新工艺、新技术、新设备。
1.3.2 合理利用资源，节约能源，降低消耗指标。 1.4 设计范围
1.4.1确定工艺流程及生产操作条件
1.4.2工艺及主要设备计算（物料衡算、设备计算）
1.4.3绘制生产工艺流程图 1.4.4编制课程设计说明书 二、生产工艺 2.1产品产量及方案 产量：年产酒精61000吨
产品品种：含乙醇95%（V）相当于92.41%（W）食用酒精 2.2生产方法的选择
工艺方法：利用玉米为原料，双酶糖化，添加酒精酵母连续发酵、三塔蒸馏的工艺是目前最成熟、最典型的生产工艺。
酒精生产工艺流程简图：
α-淀粉酶 糖化酶 酒母醪
↓ ↓ ↓
玉米→粉碎→调浆→连续蒸煮→蒸煮醪冷却→糖化→糖化醪冷却→连续发酵→
↑
排醛 废水 CO2回收
↑ ↑
成熟发酵醪→粗馏→醛塔 → 精馏 → 成品酒精 ↓ ↓
废糟 杂醇油 ↓
DDGS（全价干酒糟）
↓
2.3主要工艺参数 年生产天数：300 玉米含水：15% 玉米粉产率：87% 玉米含淀粉：63%
玉米淀粉实际出酒率：53% 发酵周期：55-60h 原料粉碎度：1.5-2.5 mm 原料加水比：1：3
α-淀粉酶用量：5-6u/g原来 蒸煮温度：90-110℃ 蒸煮时间：100 min
糖化酶用量：100-150u/g原料 糖化温度：58～60℃ 糖化时间：45 min
糖化醪固形物浓度：16～18% 糖化醪PH值：4.0～4.5 接种量：10%～20% 稀释速度：0.05～0.1 发酵温度：31～33℃ 发酵罐装料系数：85～90% 发酵醪酒精浓度：8～10%（V）
2.4物料衡算
表1 主要物料衡算表（95%（V酒精）） 序号 1 2 玉米 玉米粉 名称 规格 单位产品消耗 单位 数量 单位 含水≤15% 含水≤15% 年用量 时 26.3 22.9 0.00847 0.07625 0.18639 0.136 0.0097431 91.5 94.0 108.4 106.75 0.042361 0.1694 7.642 107.6 2.542 762.5 1355.56 35.583 天 630.3 549 0.203 1.83 4.473 3.253 0.23383 2196 2257 2602 2562 1.0167 4.067 183.41 2582.3 61 18300 854 年 189100 164700 61 549 1342 976 70.15 658800 677100 780800 768600 305 1220 55022 774700 18300 5490000 256200 t/t t/t kg/t kg/t kg/t kg/t t/t t/t t/t t/t kg/t kg/t kg/t t/t kg/t t/t t/t 3.1 2.7 1 9 22 16 10.8 11.1 12.8 12.6 5 20 902 12.7 300 90 4.2 t t t t t t t t t t t t t t t t t t 3 α-淀粉酶 20000u/g 4 5 6 7 8 9 10 糖化酶 NaOH H2SO4 硫酸铵 蒸煮粉浆 成熟蒸煮醪 糖化醪 醪 12 13 15 16 17 18 19 杂醇油 醛酒 废醪 胚芽 水 电 汽 11 成熟发酵50000u/g 98% kg/t 1.15 14 二氧化碳 kWh/t 160 kWh 32533.3 9760000 三、设备选择
3.1主要工艺设备选型计算 （1）发酵罐容积计算
糖化醪流量108.4t/h，醪液比重为1.07，则糖化醪体积流量为：
F=108.4/1.07=101.3 m3/h
采用多罐连续发酵工艺，双罐流加法，即预发酵罐和罐组首罐流加糖化醪，预发酵罐流加量为总量的17%，控制稀释速率D0=0.09；罐组首罐糖化醪流加量为总量的83%，稀释速率D1=0.05。预发酵罐和发酵罐的填充系数为Φ=0.9，则
预发酵罐糖化醪流量F0=17%×101.3=17.2 m3/h 预发酵罐V0有效=F0/D0=17.22/0.09=191.4 m3 预发酵罐V0全=V0有效/Φ=191.4/0.9=212.7 m3 首发酵罐糖化醪流量F1=83%×101.3=84.1 m3/h 首发酵罐V1有效=F1/D1=84.1/0.05=1682 m3 首发酵罐V1全=V1有效/Φ=1682/0.9=1868.9 m3
预发酵罐和发酵罐直径d与高H的关系H=1.5d,锥形封头高、锥底高与直径的关系h1=h2=0.1d,V全=（π/4）d2(H＋h1/3＋h2/3), V全=1.23d3,所以经计算得d0=5.571 m; d1=11.50 m。
取预发酵罐d0=5.6 m,则H0=8.4 m, h01=h02=0.56 m,验算 V0全=216.0 m3＞212.7 m3;
取首发酵罐d1=11.5 m,则H1=17.25 m,h11=h12=1.15 m,验算 V1全=1871.0 m3＞1868.9 m3。
所以预发酵罐、首发酵罐体积可满足生产需要。 （2）发酵罐组个数确定
设发酵周期为60h，发酵液的体积流量为16.6 m3/h,发酵罐组设1个成熟醪贮罐，发酵罐组个数为：
n=101.3×60/(1868.9×0.9)＋1=4.6个
取整数n=5个，故本设计选取预发酵罐1个，发酵罐5个。
（3）发酵罐换热器换热面积计算
F=Q总/K△tm Q总=Q生－Q蒸发－Q罐壁
由于罐体较大，所以采用罐外螺旋板换热器循环换热，传热系数K=860×4.186～2580×4.186kJ/m3·h·℃。首发酵罐料液流量108.4t/h,醪液浓度由18%→4.4%，放热量最大。可取麦芽糖发酵放热613.6kJ/kg,则
Q生=108.4×1000×（18%－4.4%）×613.6=9045936kJ/h Q蒸发＋Q罐壁=8%Q生=72374kJ/h Q总=9045936－723674=8322262kJ/h 平均温度差△tm=(△t1－△t2)/ln(△t1/△t2), 31℃←31℃ 发酵液 20℃→25℃ 冷却水
△t1=11 △t2=6 代入△tm=(11－6)/ln(11/6)=8.2℃ 首发酵罐换热器面积：
F=Q总/K△tm=8322262/(1200×4.186×8.2)=202.0 m3 首发酵罐换热器冷却水流量： W=Q总/cp(t2－t1)
=8322262/4.18(25－20)=398194kg/h=398.2/h
3.2发酵工段身边一览表
表2 主要生产设备一览表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
四、发酵工段工艺流程图（附）
设备名称 空气分过滤器 醪液泵 预发酵罐泵 螺旋板换热器 发酵罐 醪液泵 螺旋板换热器 CO2洗涤罐 淡酒罐 淡酒泵 型号与规格 Φ3100×4650 Φ6300×9450 F=33.2 m2 单位 数量 个 个 个 个 个 个 个 个 个 个 1 6 1 5 5 6 5 1 1 1 备注
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容