2022年课程设计方案 .pdf
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1、湖北大学发 酵 工 程 与 设 备 课 程 设 计题目醋酸的发酵生产专业年级 05 生物工程学生姓名刘进学号 205221107210003 指导老师李亚东2008 年 6 月 23 日精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 19 页1 / 19 目录1 前言.3 1.1 醋酸简介.3 1.2 全球醋酸的生产状况.3 1.3 国外生产研究现状.3 1.4 国内醋酸的生产状况如下.3 1.5 国内生产研究现状.3 1.6 主导生产方法.4 1.7 食用醋酸生产研究现.4 1.8 生产技术的革新与改造.4 1.8.1 纯种固态食醋生
2、产技术的建立.4 1.8.2 纯种液态食醋生产技术的建立.4 1.8.3 传统酿造食醋的技术改造.4 1.9 我国目标.4 2 发酵机制.4 2.1 淀粉水解.4 2.2 酒精发酵.4 2.2.1 精发酵微生物.4 2.2.2 酒精发酵中的物质变化4 2.3 醋酸发酵5 2.3.1 醋酸发酵微生物5 2.3.2 醋酸发酵中的物质变化.5 2.4 醋酸的提取5 3 发酵工艺及特点5 3.1 原料5 3.2 调浆6 3.3 液化和糖化6 3.4 酒精发酵6 3.4.1 前发酵期6 3.4.2 主发酵期7 3.4.3 后发酵期.7 3.5 醋酸发酵7 3.5.1 淋醋发酵工艺7 3.5.2 深层发酵
3、工艺7 3.5.3 固定化细胞发酵法8 3.5.5 醋酸提取8菌种的制备及种子的扩大培养9 4.1 实验室种子制备:9 4.1.1 选育酿酒酵母株的方法9 4.1.2 醋酸菌筛选流程9 4.2 扩大培养.10 4.2.1 酒母的制备10 4.2.2 醋酸菌扩大培养10 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 19 页2 / 19 5. 培养基的组成及制备.10 5.1 酒精发酵培养基组成10 5.2 醋酸发酵培养基10 5.3 发酵罐灭菌10 5.4 灭菌流程.11 6 无菌空气制备系统.11 6.1 发酵生产中制备无菌空气过程
4、.11 6.2 特点.12 6.3 设备选择12 7 工艺计算.12 7.1. 说明.12 7.2 计 算 . 12 8. 三废处理.15 8.1 废气.15 8.2 废水.15 8.3 废渣15 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 19 页3 / 19 发酵工程与设备课程设计正文1 前言1.1 醋酸简介:醋酸(Acetic Acid是食用醋的主要化学成分,是无色透明液体氧化法。1.2 全球醋酸的生产状况如下:2004 年, 全球醋酸生产能力约为987 万吨/ 年, 其中各地区的生产能力分别为: 北美 347 万吨、欧洲14
5、2 万吨、亚洲 435 万吨。 分别占世界总生产能力的35% 、14% 和 44% 。近年来 , 亚洲地区产能增加较快 , 年均增长率约为 7.7%, 高于世界 2.9%的年均增长率。1.3国外生产研究现状:塞拉尼斯公司是世界两大醋酸生产商之一, 总产能为242.5 万吨 / 年。其装置主要在美国和新加坡, 在美国甲醇羰基合成法装置的能力已达到 120 万吨 / 年, 是世界上最大的生产装置, 在新加坡羰基法装置的能力为50 万吨/年, 而在其他地区的乙醛氧化生产醋酸的装置相继关闭。现有装置主要采用甲醇羰基合成法和丁烷液相氧化法。目前, 该公司正在南京独资建设一套60 万吨 / 年的生产装置,
6、 2007 年建成投产。 BP 也是世界主要的醋酸生产商, 在全球 4 个地区拥有醋酸生产装置, 总能力为 177 万吨/ 年, 占全球总产能的17.9%。其在英国的羰基合成法装置能力为 50 万吨/ 年。 在韩国是BP 和三星的合资公司 , 现装置能力已达42 万吨/ 年, BP 持股 51% 。 在马来西亚是和Petronas 公司的合资企业 , 装置能力为 40 万吨/ 年。与中石化四川维尼纶厂合资建设的醋酸装置产能现已扩大为35 万吨/ 年。世界两大醋酸生产商塞拉尼斯和BP 控制了全球的醋酸生产 , 总产能已达到419.5 万吨/ 年, 占全球总产能的 40% 以上。1.4国内醋酸的生
7、产状况如下:目前 , 我国共有20 多套醋酸生产装置 ( 一些乙醇法的生产企业多数处于停产, 只有几家还在生产 , 产量很低 , 至 2005 年年底 , 我国的总生产能力达到了176.5 万吨/ 年, 2005 年全年产量为140 万吨 , 比去年增长21.5%。1.5国内生产研究现状:我国现有甲醇羰基合成法醋酸生产企业4 家, 生产能力为精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 19 页4 / 19 100 万吨/ 年, 占总产能的 63% 。 乙烯法生产企业有4 家, 生产能力为 44.5 万吨/ 年, 占总产能的 28.4
8、%。其余为乙醇法。目前 , 我国甲醇羰基合成法醋酸生产已占据了主导地位, 并且产能和产量都有了较大幅度的增长, 装置开工率接近100% 。 而随着国际油价的不断上升 , 占主导地位的乙烯法产量有所下降, 开工率约为 74% 。我国甲醇羰基化法的最大生产企业是江苏索普(集团公司, 有两套生产装置 , 总产能约为 40 万吨/ 年, 2005 年产量为40.3 万吨。四川扬子江乙酰化工有限公司是我国第二大甲醇羰基合成法醋酸生产企业 , 1998 年一期工程完成 , 当时产能为15 万吨/ 年。二期工程于2002 年完成, 产能扩大至 23 万吨/ 年。三期工程于2005 年 7 月投料试车 , 产
9、能已达到 35万吨/ 年, 2005 年产量为 25 万吨。上海吴泾化工公司醋酸生产装置通过技术攻关, 现有的生产能力已从10 万吨/ 年扩大为现在的 25 万吨/ 年, 2005 年产量为 20 万吨。山东兖矿国泰化工公司是由兖矿集团和香港彩福按7030 合资成立的公司。经过2 年多的建设 , 投资 11 亿元的兖矿国泰化工公司的年产20 万吨醋酸 , 已于 2005 年 11 月 16 日竣工 , 它是我国第一套完全自主研发和设计的甲醇羰基合成醋酸生产装置。1.6主导生产方法:目前 , 全球醋酸生产以甲醇羰基合成法占主导地位, 生产能力已达到 617.5 万吨/ 年, 约占总产能的 63%
10、3。1.7 食用醋酸生产研究现:目前传统醋工艺、纯种固体制醋工艺和纯种液态制醋工艺已经形成 3 大工艺路线并存。1.8 生产技术的革新与改造1.8.1 纯种固态食醋生产技术的建立从20 世纪50年底开始 , 我国就开始了纯种固态法生产食醋的尝试。20 世纪60 年代, 上海创造了酶法液化自然通风回流的固体发酵工艺, 分别使用了纯种培养的曲霉菌、酵母菌、醋酸菌作为发酵剂进行液化、糖化、酒精发酵、醋酸发酵。20 世纪70 年代初, 山西长治实验生料制醋获得成功, 主辅料全部采用生料。这是一条全新的纯种固态制醋工艺 , 主要的技术难题是防止杂菌污染与提高原料利用率。1.8.2 纯种液态食醋生产技术的
11、建立纯种液态发酵制醋是借鉴抗生素、氨基酸等其他发酵工业的经验, 应用现代发酵工程、细胞工程和酶工程技术建立起来的一类先进的新型制醋生产技术, 包括自吸式发酵罐液态制醋、固定化细胞发酵制醋和酶制剂发酵制醋3种工艺。1.8.3 传统酿造食醋的技术改造我国传统酿醋技术在世界上独具一格, 在长期的生产实践中已形成了固定的工艺模式和操作习惯。然而醋业界的有识之士和科研工作者追求传统酿醋技术进步的活动从来没有停止过 , 不断探索传统酿醋微生物的活动规律, 优化工艺操作条件 , 改进生产设备与扩大生产规模 , 使传统食醋酿造技术向现代方向逐步迈进。1.9我国目标:新中国成立以后 , 特别是改革开发以后的20
12、 多年来 , 我国制醋业的发展环境有了很大变化。在政府领导、科研人员和醋业工作者的共同努力下, 开展了酿醋微生物、制醋生产工艺和生产设备的多学科研究。选育了优良的微生物菌种, 建立了纯种固态食醋生产技术和纯种液态食醋生产技术, 改进了质检方法 , 优化了制醋设备 ,精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 19 页5 / 19 极大地提高了我国食醋的生产技术水平, 使我国食醋产量和人均消费水平得到明显提高,制醋工业朝着科学化、机械化与大型化的方向发展的格局4。2 发酵机制醋酸的生产分为3 个过程 : 淀粉水解成糖 , 糖发酵成酒精
13、 , 酒精氧化成醋酸。这3 个发酵过程都是依靠不同的微生物分泌的酶作用下进行的, 所以发酵过程就是创造有关微生物发育与酶作用有利条件的过程。2.1 淀粉水解淀粉是碳水化合物中重要多糖之一, 为植物通过光合作用合成的天然高分子化合物。但它不能被酵母利用 , 必须首先把淀粉转化为可发酵的糖类, 然后才能被酵母将糖发酵为酒精。淀粉转化为可发酵性糖类的过程, 称之为淀粉水解。常规淀粉水解过程为: ( C6H1 0O5 n + nH2O X ( C6H1 0O5 10 - 20nC6H1 2O62.2 酒精发酵2.2.1 精发酵微生物酒精发酵所用微生物为酵母, 其主要特点有 . 呈椭圆形 , 大小约 4
14、5m 。 . 生长的适宜温度 2834, 35 以上活力减退 , 60 5分钟死亡 ,5 可缓慢生长。.耐酸, 适合pH 值为46, pH 值低于 3. 5 时生长受到抑制。. 在通气条件下细胞繁殖 ,不通气条件下酒精发酵。2.2.2 酒精发酵中的物质变化酒精发酵中的物质变化具体过程为: 葡萄糖在己糖激酶的催化下, 由ATP 供给磷酸基转化为6 - 磷酸葡萄糖。 6 - 磷酸葡萄糖在磷酸己糖异构酶的催化下转化为6 - 磷酸果糖。 6 - 磷酸果糖在磷酸果糖激酶的催化下, 由ATP 供给磷酸基 , 进一步磷酸化 , 生成1, 6 - 二磷酸果糖。 1, 6 - 二磷酸果糖在醛缩酶的催化下 , 分
15、裂为磷酸二羟丙酮和 3 - 磷酸甘油醛。磷酸二羟丙酮和3 - 磷酸甘油醛在磷酸丙糖异构酶的催化下相互转化。 3 - 磷酸甘油醛在 3 - 磷酸甘油醛脱氢酶的催化下 , 并经磷化 , 生成1, 3 - 二磷酸甘油酸。 1, 3 - 二磷酸甘油酸在磷酸甘油酸激酶的催化下 , 变为3 - 磷酸甘油酸。 3 - 磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的催化下 , 转变为 2 - 磷酸甘油酸。 2 - 磷酸甘油酸在烯醇化酶的催化脱水, 生成为 2 - 磷酸烯醇式丙酮酸。 2 - 磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下, 失去高能磷酸键, 生成烯醇式丙酮酸。由于烯醇式丙酮酸极不稳定, 变为丙酮酸。丙酮酸在脱羧酶的催化
16、下脱羧 , 生成乙醛。乙醛在乙醇脱氢酶及辅酶(NADH2的催化下 , 还原成乙醇。在酒精发酵中 , 其主要产物是乙醇和 CO2 , 但同时也产生许多发酵副产品, 主要有醇、醛、酸和酯四大类化学物质 , 这也是醋中风味物质的前体物质5。2.3 醋酸发酵2.3.1 醋酸发酵微生物醋酸发酵所用微生物为醋酸菌, 其主要特点有呈短杆状, 大小约0. 5 1. 5 m 。 为好气性菌。繁殖适宜温度在 30左右 , 最佳酒精氧化温度 4045。 在60时10 min 死亡。 能氧化酒精为醋酸 , 适宜酒精度为 3% 6% 。 能被自己所生精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - -
17、 - - - - -第 6 页,共 19 页6 / 19 成的醋酸杀灭。能氧化醋酸为 CO2和H2O 。2.3.2 醋酸发酵中的物质变化醋酸发酵中的物质变化具体过程为: 乙醇在乙醇脱氢酶的催化下, 氧化成乙醛 , 通过吸水形成水化乙醛 , 再由乙醛脱氢酶氧化成乙酸。反应步骤为:C2H5OH CH3CHO CH3COOH. 由于醋酸菌含有乙酰辅酶A合成酶, 它能氧化乙酸为 CO2和H2O,所以在醋酸发酵后期, 如发现乙酸不再上升时 , 酒度耗尽时,即为成熟期。2.4 醋酸的提取原理为水与醋酸的沸点相差较大。人们所研究过的醋酸提取方法很多,但可以用于工业上的只有少数几种。. 分馏精馏)。 . 恒沸
18、脱水蒸馏。. 溶剂低沸点或高沸点)萃取。. 上述方法联合使用。. 萃取蒸馏和活性炭吸附等6。3 发酵工艺及特点7淋醋工艺是德国学者舒莱巴赫首先推举出来的,由于它比传统的固体制醋法需 40-60天)要快的多 ,麸皮, 谷壳( 小 M壳也可,食盐, 淀粉酶、糖化酶 , 醋用发酵剂 , 水。3.2 调浆主要机器:磨浆机、调浆桶、调浆罐先将碎 M浸泡,使 M粒充分吸水膨胀。按M :水=1:1.5 的比例送入磨浆机,磨成70 目以上细度的粉浆 浓度为 1820Be)。粉浆泵送至调浆桶后,加入Na2CO3调至pH6.26.4, 再加入碎 M重量 0.2%的 CaCl2,然后按每克碎M130单位加入细菌 -
19、淀粉酶。在充分搅拌情况下,将粉浆缓缓连续放入液化桶中。3.3 液化和糖化主要设备:液化锅、糖化罐先在液化锅内放定量的水,一般要求淹没加热管。将水升温至90,开动搅拌,流入粉浆,掌握品温在8590。粉浆全部进入锅内后,维持1015min,用碘液检查不显蓝色表示液化已经完成。升温至100,泵入糖化锅。冷却至65以下时加入麸曲或真菌糖化酶,维持在60左右糖化 3 小时。糖化罐如图 1 所示酶制剂酵母成熟醋醅无菌空气精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 19 页7 / 19 3.4 酒精发酵主要设备:密闭式酒精发酵罐淀粉经过糖化后可得
20、到葡萄糖, 将糖化30min 后的醪液打入发酵罐 , 再把酵母罐内培养好的酵母接入。酵母菌将葡萄糖经过细胞内一系列酶的作用, 生成酒精和CO2。在发酵罐里酒精发酵分3 个时期 : 前发酵期 , 主发酵期 , 后发酵期。3.4.1 前发酵期在酒母与糖化醪打入发酵罐后, 这时醪液中的酵母细胞数还不多, 由于醪液营养丰富, 并有少量的溶解氧 , 所以酵母细胞能够得以迅速繁殖, 但此时发酵作用还不明显, 酒精产量不高 , 因此发酵醪表面比较平静 , 糖份消耗少。前发酵期一般10h 左右, 应及时通气。3.4.2 主发酵期810 h 后, 酵母已大量形成 , 并达到一定浓度 , 酵母菌基本停止繁殖 ,
21、主要进行酒精发酵, 醪液中酒精成分逐渐增加 , CO2 随之逸出 , 有较强的 CO2 泡沫响声 , 温度也随之很快上升, 这时最好将发酵醪的温度控制在3234之间 , 主发酵期一般为 12 h 左右。3.4.3 后发酵期后发酵期醪液中的糖份大部分已被酵母菌消耗掉, 发酵作用也十分缓慢 , 这一阶段发酵, 发酵醪中酒精和二氧化碳产生得少, 所以产生的热量也不多 , 发酵醪的温度逐渐下降, 温度应控制在 3032, 如果醪液温度太低 , 发酵时间就会延长 , 这样会影响出酒率 ,这一时期约需 40 h 左右完成。酒精发酵罐如图2 所示精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结
22、 - - - - - - -第 8 页,共 19 页8 / 19 3.5 醋酸发酵3.5.1 淋醋发酵工艺主要设备:速酿塔国内用作淋醋发酵的设备称为速酿塔,速酿塔高25M ,直径 11.3M,圆桶形,塔顶封盖,有排气孔,内有假底,塔内置一层处理过的填充料一桦木刨花、芦苇秤或玉M芯,塔顶部装有回转喷淋管,聚液槽接有不锈钢离心泵使醋酸循环淋浇。塔顶封闭,只留排气管,管口包扎纱布以调节空气的进入量。塔的上、中、下部皆插有温度计。将酒液一次加入醋塔内,再接入醋酸菌液10% ,然后定时回浇和以定温循环回淋结合,约每隔 90 分钟回淋一次。品温控制3542之间。如果发现品温过高或过低,应灵活决定回浇次数和
23、控制空气进入。回浇时要随时注意喷淋管是否运转正常,防止局部位置上填充物温度过高,造成发酵异常。经50 多小时,测定淋出液酸度不再上升,酒精耗尽时,即为成熟期。醋塔法制醋酸特点:. 塔内填充料能连续使用,可以节约麸皮等原料,并不需要出渣,减轻了劳动强度;. 原料出品率较高;. 填充料来源广泛;. 口味比较单调。国外淋醋工艺采用的典型设备是弗林斯发生器Flings generator)在弗林斯发生器中,载体层的温度自控问题已在可能的程度上得到了解决。其操作过程如下:酒醪有泵从发酵罐的聚液槽连续通过换热器泵送到进料罐中,它可以由此通过分布盘和榉木刨花层间接回到聚液槽,或者通过溢流管直接回到聚液槽,刨
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