发酵工艺课程设计

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1、 发酵工艺课程设计 2013 年年 12 月月 5 日日 目录 1. 设计目的. 1 2. 设计原理. 1 2.1 国内乙醇生产工艺的发展概况 1 2.2 玉米秸秆和玉米淀粉混合原料的乙醇发酵的提出 2 3. 实验方法. 2 3.1 实验材料 2 3.2 培养基 2 3.3 仪器 2 3.4 菌株发酵及保藏. 3 3.5 混合原料发酵生产燃料乙醇. 3 4. 实验预期结果. 4 4.1 玉米秸秆与玉米淀粉配比的确定. 4 4.2 料液比的确定 4 4.3 硫酸浓度对玉米秸秆水解的确定 4 4.4 纤维素酶用量的确定 5 5. 燃料乙醇的工艺流程设计. 5 5.1 流程概况 5 5.2 溶氧条件

2、的控制 6 5.3 pH 条件的控制 6 5.4 温度的控制 6 1 1. 设计目的 燃料乙醇是一种重要的生物质能源，由于其清洁、可再生等诸多优势受到了 越来越多的关注，已经成为国内外能源领域的研究热点，并有望成为“后石油时 代”中新能源的主力军。然而,燃料乙醇的产业化依然面临许多挑战。目前，工 业生产燃料乙醇主要使用粮食淀粉（玉米、小麦等） 、甘蔗以及其它富含糖类的 原料，处于“与人争粮”的窘境之中,从长远角度来看难以实现可持续的发展。 在备选的生产原料中，木质纤维素不但来源广泛， 而且其生产燃料乙醇的过程本 身可有效地缓解环境污染，从而倍受全球能源研究领域的关注。在我国，玉米秸 秆纤维素原

3、料的来源非常丰富， 通过纤维素酶催化生产燃料乙醇的研究具有广阔 的应用前景。 本文设计针对目前木质纤维素生产燃料乙醇过程中存在的生产成本 过高以及纤维素原料到燃料乙醇的转化率较低等问题， 对玉米秸秆生产燃料乙醇 的工艺流程进行选择优化，在利用玉米秸秆生产燃料乙醇的同时，充分考虑其它 副产物资源的利用，并对此生产过程进行了技术经济分析；此后，在原料成分分 析的基础上， 进一步探讨了木质纤维素原料玉米秸秆及玉米芯与玉米淀粉混合作 为原料的新型发酵工艺，并分别对其进行了初步的实验优化和技术经济分析，以 期为木质纤维素燃料乙醇工艺提供科学指导与技术支撑。 2. 设计原理 2.1 国内乙醇生产工艺的发展

4、概况 目前， 木质纤维素类生产燃料乙醇的步骤主要包括原料预处理、 纤维素水解、 乙醇的发酵及分离等单元操作， 木质纤维素预处理方法主要包括物理法、 化学法、 生物法和综合法等。 其中使用稀酸进行化学水解是研究最多且使用最为广泛的方 法之一，在经济和技术上都有较好的可行性。以淀粉和纤维素为原料生产燃料乙 醇的工艺存在一定的区别，在前者工艺中，淀粉原料经粉碎、蒸煮、液化、糖化， 再发酵、蒸馏、精馏、脱水，制得无水乙醇，木质纤维素乙醇的生产主要包括原 材料的预处理、酶法糖化、发酵和乙醇的分离纯化等工艺过程。如果能将这两种 原料混合使用，如玉米秸秆经预处理酶解后再加入些玉米淀粉糖浆，这样就能节 省淀粉

5、质原料前处理过程中外加的水，提高纤维素原料的糖浓度，继而提高发酵 液中乙醇浓度，降低蒸馏的能耗。 种玉米 播种，灌溉 施肥，除收获 玉 米 杆 运输 预处理 酶解 发酵 蒸馏， 精馏 副产品 2 图 1 木质纤维素燃料乙醇的生命周期 2.2 玉米秸秆和玉米淀粉混合原料的乙醇发酵的提出 探索了以玉米秸秆和淀粉糖浆混合物为原料进行发酵产乙醇的可行性。 对玉 米秸秆中木质纤维素的含量进行了测定， 并优化了玉米秸秆的预处理工艺。 此后， 通过实验比较了以玉米淀粉、玉米秸秆以及两者混合物为原料的发酵工艺。结果 表明，混合原料发酵的乙醇产量高达 66.4 g/L，远高于其它两条工艺路线，因 此以玉米淀粉糖

6、浆和玉米秸秆混合物为原料发酵产乙醇的第 1.5 代燃料乙醇的 关键过程是可行的。 在此基础上， 对上述三种工艺路线进行了单位生产成本估算， 其中玉米秸秆和混合原料发酵的工艺成本比较接近， 表明以混合原料取代玉米淀 粉发酵，从而在一定限度内避免“与人争粮”的窘境是完全可行的。 3. 实验方法 3.1 实验材料 （1）菌株及木质纤维素原料：玉米杆，酿酒酵母，玉米淀粉糖浆 （2）水解酶：纤维素水解酶 （3）主要试剂：硫酸，氨水，葡萄糖，酵母粉，石油醚，氢氧化钠，无水 乙醇，3,5-二硝基水杨酸，蛋白胨，酒石酸钾钠，正丁醇，苯酚，酵母粉，色谱 纯乙腈，盐酸。 3.2 培养基 （1）种子培养基 YPD 种于培养基成分为葡萄糖 30 g/L、酵母粉 4g/L、蛋白胨 4g/L，115灭菌 15min,用于种子液培养。 （2）摇瓶发酵培养基 玉米秸秆与稀酸溶液料液比 1:10，硫酸浓度 1%，浸泡 24h，置于高温蒸汽 灭菌锅中，130水解 90 min，调节 pH 至一定值后直接做为发酵培养基。玉米 秸秆水解液中添加酵母浸粉和蛋白胨各 3 g/L 作为摇瓶发酵培养基。 3.3 仪器 手提式高速