长春工业大学化学与生命科学学院生物技术（工程）专业
《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
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 m 3/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D 0=0.09；罐组首罐糖化醪流加量为总量的83%，稀释速率D 1=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F 0=17%×101.3=17.2 m 3/h 预发酵罐V 0有效=F 0/D 0=17.22/0.09=191.4 m 3 预发酵罐V 0全=V 0有效/Φ=191.4/0.9=212.7 m 3 首发酵罐糖化醪流量F 1=83%×101.3=84.1 m 3/h 首发酵罐V 1有效=F 1/D 1=84.1/0.05=1682 m 3 首发酵罐V 1全=V 1有效/Φ=1682/0.9=1868.9 m 3
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h 1=h 2=0.1d,V 全=（π/4）d 2(H ＋h 1/3＋h 2/3), V 全=1.23d 3,所以经计算得d 0=5.571 m; d 1=11.50 m 。
取预发酵罐d 0=5.6 m,则H 0=8.4 m, h 01=h 02=0.56 m,验算 V 0全=216.0 m 3＞212.7 m 3;
取首发酵罐d 1=11.5 m,则H 1=17.25 m,h 11=h 12=1.15 m,验算 V 1全=1871.0 m 3＞1868.9 m 3。
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 m 3/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△t
m
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△t
m =(△t
1
－△t
2
)/ln(△t
1
/△t
2
),
31℃←31℃发酵液 20℃→25℃冷却水
△t
1=11 △t
2
=6 代入△t
m
=(11－6)/ln(11/6)=8.2℃
首发酵罐换热器面积：
F=Q
总/K△t
m
=8322262/(1200×4.186×8.2)=202.0 m3
首发酵罐换热器冷却水流量：
W=Q
总/c
p
(t
2
－t
1
)
=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
四、发酵工段工艺流程图（附）。