吉林化工学院生物与食品工程学院课程设计文献综述浅谈食用酒精工艺生产过程及环境影响分析学生学号：学生姓名：专业班级：指导教师：起止日期：2015.4.1～2015.4.30吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology1 前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]。
2003 年世界产酒精3052 万吨, 2004 年产3425万吨, 预计2005 年产4057 万吨, 2010 年达到5680万吨; 其中燃料乙醇产量以每年5~10% 的速度增长, 2004 年产2563 万吨, 预计2005 年产3108 万吨,2010 年达到4700 万吨。
2国内外酒精发酵工艺现状2.1我国发酵工业总体情况目前, 在我国酒精的产量中, 以玉米、谷物为原料的占55% , 薯类为原料的占33% , 糖蜜为原料的占12% (主要产自广西)。
近几年, 我国酒精行业平稳发展, 产量逐年增加, 2000 年产量为230 万吨,2001 年是230 万吨, 2002 年是245 万吨, 2003 年是285 万吨, 2004 年达到305 万吨。
目前, 我国酒精主要为内销, 部分出口到日本、韩国、东南亚等国家和地区, 优势为运距短, 物流便利, 劣势为原料成本比巴西高。
目前, 世界各国日益重视能源问题, 燃料乙醇需求量迅速增加, 给我国的酒精出口带来了新的机遇。
2.2酒精发酵行业发展情况巴西、美国、中国是世界上酒精的主要生产国,共占世界酒精产量的78% , 其中巴西占36% , 美国占33% , 中国占9% , 欧盟占9% , 印度占4%。
巴西主要以甘蔗汁生产燃料乙醇, 2004 年出口酒精1244 万吨, 是世界最大的酒精输出国, 占世界贸易量的30% , 主要出口到美国、印度等国。
美国主要以玉米为原料生产燃料乙醇, 2004 年产酒精1131 万吨, 2005 年产酒精1300 万吨, 2006 将成为世界最大的酒精生产国。
印度年产酒精162 万吨, 未来拟将产量扩大到占世界产量的10%。
日本酒精年需求量为45 万吨, 其中21 万吨用于食用, 24 万吨用于工业,自产7 万吨, 其余的依靠进口, 2004 年从中国进口数量不大, 主要从巴西进口(近年来, 中国酒精的价格在与世界接轨, 考虑到运距的问题, 我国的酒精将具有较好的竞争力)。
目前, 我国逐步在汽油中添加10% 的燃料乙醇, 下一步将在柴油中添加5% 的乙醇[3]。
2.4研究现状从80 年代初期至今已经引进了十几套DDGS生产设备,但引进设备投资大,运行费用高始终困扰着酒精发酵行业,目前许多引那里,给国家造成巨大的经济损失。
由此可见,中国现有的酒精发酵行业急需进行产业结构调整和技术的更新换代。
如果将酒精用于汽油燃料的添加剂,将推动发酵酒精进入新的发展阶段[6]。
我国现有的原油加工能力约为2.57亿t,实际加工为1.7亿t,每年消耗汽油4000万t,2005年将达到4500～4800万t,如按照10%的酒精添加量计算 ,燃料酒精年需求量为400万 t[3]。
对于燃料酒精的应用 ,在目前的技术条件下 ,生产成本较高 ,大规模应用完全取决于政策和扶持或技术水平提高后生产成本的大幅降低[7]。
酒精生产中 ,各种副产品的提取是一个重要的技术工作 ,回收得好 ,污染减少、产值增加。
目前我国酒精发酵工业采用DDGS工艺技术治理废糟液 ,从 80 年代初期至今已经引进了十几套DDGS生产设备 ,但引进设备投资大 ,运行费用高始终困扰着酒精发酵行业 ,目前许多引进的装置闲置在那里 ,给国家造成巨大的经济损失。
由此可见 ,中国现有的酒精发酵行业急需进行产业结构调整和技术的更新换代。
如果将酒精用于汽油燃料的添加剂 ,将推动发酵酒精进入新的发展阶段。
对于燃料酒精的应用 ,在目前的技术条件下 ,生产成本较高 ,大规模应用完全取决于政策和扶持或技术水平提高后生产成本的大幅降低。
3 酒精发酵工艺技术的进展对于高浓度酒精发酵工艺来说筛选和构建能快速产生高浓度酒精并能抗高渗透压的酵母菌是关键的技术，至今人们已经发展了很多种方法来筛选和构建具有这种特性的酵母菌。
3.1酵母的获取有人认为连续培养是获得耐高浓度酒精酵母菌最有希望的方法之一首先把酵母菌细胞培养在含有合适葡萄糖和乙醇浓度的培养基中试验开始后把乙醇不断加人到培养物中在这种条件下只有那些能抗乙醇浓度不断增加的酵母菌突变株才可以生长或生存在培养物中通过长时间的培养便可以选择到抗高浓度酒精的菌株如通过这种技术获得的葡萄汁酵母突变株在乙醇培养基中还可以继续存活并且该突变株在含有乙醇的培养基中发酵速度比野生型菌株快[7]。
当然我们也可以从自然界中挑选出符合要求的酿酒酵母或者是通过突变来选择适合的菌种。
3.2利用生淀粉进行高浓度酒精发酵在传统酒精发酵工艺中,淀粉质原料必须经过高温糊化,在这过程中,需消耗大量的能量。
在过去的多年中,人们对无蒸煮淀粉的酒精发酵进行了大量的研究,所生产的酒精浓度一般低于12%，林田等人首次成功地利用生玉米淀粉生产高浓度酒精,他们所用的酵母菌株是一株能快速产生高浓度酒精的酵母菌,在30℃下发酵5天可以产生16%的乙醇,所用的生淀粉酶来自于泡盛曲霉一菌株的液体发酵液。
在传统酒精发酵工艺中,淀粉质原料必须经过高温糊化,在这过程中,需消耗大量的能量[3]。
3.3粉碎工段玉米生产酒精,其前处理工艺可分为全粒法和玉米提胚法,而提胚法又分为3种:①干法提胚;②半干法提胚;③湿法提胚。
全粒法因其投资最少、加工工艺最简单.目前国内仍有许多小酒精厂或小酒厂采用,由于损失了胚芽,且发酵罐上部覆盖了大量油层,使co2不能及时排出,酸值增高,严重影响发酵效果,不适合大型酒精厂采用是显而易见的。
干法提胚不仅胚芽损失率较高,而且胚芽中含淀粉也高,严重影响副产品玉米胚油的附加值。
此法只适于万吨以下的小型酒精厂[5]。
半干法提胚和湿法提胚国外大型酒精厂均有采用的。
目前国内最大的酒精厂——黑龙江华润金玉实业有限公司采用的是半干法提胚,经近几年不断地总结经验,运行效果非常不错。
经以上分析可知,如果半干法提胚制取毛油,油粮比能达到2%以上,湿法提胚制取毛油冲减酒精成本要比半于法提胚制取毛油少24.23元,且湿法提胚玉米淀粉浆粒度相当细,废醪液离心分离很难即离心清液中固形物含量较高,如果清液不能完全回收,则DDGS 回收率将降低,从而影响酒精成本。
因此,对于大型玉米酒精厂来讲,采用半干法脱胚工艺要比采用湿法脱胚工艺经济效益好得多[1]。
3.4低温双酶法液糖化工艺液化、糖化工段一直采用高温(125 ℃) 双酶法工艺,长时间生产中发现,高温蒸煮不但耗汽、水、电量大,而且由于在高温蒸煮过程中原料里的果糖会转化为焦糖,焦糖不能被酵母发酵,它会阻碍糖化酶对淀粉的作用,使淀粉损失达112 %左右,并影响酵母的生长,因而影响了酒精的产量。
另外蒸煮温度:压力高物料中的甲醇含量明显增高,为后续蒸馏工段增加了负担。
a淀粉酶具有降低醪液的粘度特性,使用该酶可以降低糊化时间,节约大量的能源,同时也减少糖化冷却水的用量,降低了蒸煮温度,减少在糊化过程中焦糖及其它有害成分的生成,提高淀粉利用率和出酒率。
糖化酶实际上是一种生物催化剂,它可以使淀粉转化为葡萄糖,但不会使原料的蛋白质等成份受到催化[3]。
不但加快反应进程,其本身在反应过程中并不发生质与量的变化,而且需要量很少。
在发酵过程中,酒精酵母能直接利用的糖类主要是一些还原性糖;对淀粉、糊精及多糖等不能直接利用。
加入a- 淀粉酶及糖化酶的目的就是将淀粉转变成可发酵性糖,以便被酵母利用进行发酵。
a—淀粉酶是一种内淀粉酶,它可使淀粉的巨大分子迅速变成矩链,淀粉浆液化,生成低分子糊精,故又将液化型淀粉酶叫糊精化酶。
淀粉浆遇a-淀粉酶在一定条件下,粘度迅速下降,淀粉浆失去原来的粘稠状,产生液化现象[7]。
a- 淀粉酶能将淀粉葡萄糖114 糖苷键结合的部分切开成为糊精,其作用是任意的,没有一定规律,无论淀粉分子大小及淀粉链长短都有切开能力。
a- 淀粉酶作用于支链淀粉亦可将大链分解为短链,是将支链淀粉a- 114 糖苷键任意地分解为若干短链。
因此原料浆经a- 淀粉酶作用后,主要生成糊精、多精、二糖及葡萄糖。
糖化酶主要作用于糊精、多糖、二糖及支链淀粉结构中的a- 116 糖苷键,将这些物质最终降解为可发酵性糖供酵母繁殖和发酵使用[5]。
3.5酒精浓醪发酵优点：1）无液糖化工序节省能源减少动力消耗，节省设备投资降低生产成本2）粉浆粒度小易输送3）发酵水平高发酵彻底，提高原料出酒率4）减少了蒸煮过程中的糖份的损失，5）减少了果胶质的分解，成熟醪中甲醇含量相对较少。
缺点：1）染菌概率大不易于管理2）发酵时间长降低了设备利用率3）淀粉密度相对熟料大，产生沉淀损失淀粉发酵是将粉碎工序送来的玉米粉浆在糖化酶及酵母的作用下，使淀粉转化为可发酵性糖的同时发酵生成酒精和CO2，整个过程在发酵罐内完成。
糖化酶直接利用生淀粉，此工艺可大大节约能源，提高淀粉利用率，节省糖化工序，同时采用干酵母直接扩培，也就是说可以节省大量的蒸汽和电力能源，降低生产成本，而且采用罐外循环冷却系统，也是世界上的先进生产技术，可以提高设备利用率，减少安全事故的发生。
3.6六塔差压精馏该机组流程差压配置为:粗馏塔与精馏塔、水洗塔与脱醛塔、脱醛塔与甲醇塔、回收塔与甲醇塔,其中粗馏塔、脱醛塔、甲醇塔为负压操作,水洗塔为微负压操作,以利于排除杂质,精馏塔与回收塔为正压操作。
从发酵工段来的成熟发酵醪,通过粗馏塔顶的酒汽换热,进入粗馏塔,粗馏塔在负压下工作,控制塔釜温度在81~83℃,目的在于增大乙醇和其他杂质间相对挥发度,使乙醇更易于分离,又彻底去除酸类杂质,同时有利于塔釜再沸器的换热,节约能耗,减少酒糟在粗塔中的积垢,粗馏塔的加热是利用精馏塔顶部排出的酒精蒸汽,在再沸器中冷凝加热酒糟液产生的蒸汽进行的,出来的粗酒汽经醪液预热器和粗塔凝器冷凝,冷凝的粗酒液用泵送人脱醛塔进行脱醛处理。
脱醛塔是负压蒸馏,粗馏塔冷凝酒液经预热后从塔中部进入,塔顶排除低沸组份与中级杂质,冷凝液全回流,由脱醛塔低部抽出酒精进入水洗塔中部进行蒸馏、分离、并采用部分杂酒进人杂醇油分离系统。
脱醛塔经再沸器用水洗塔顶酒汽加热。