毕业设计我帮你

基于深度共熔溶剂预处理的微生物利用水稻秸秆发酵产乙醇的工艺设计

摘要

燃料乙醇是在石油、天然气等不可再生资源日益枯竭的情况下有望替代石化燃料的一种新型能源。它使用生物质为原料，热值高，可广泛适用于各种内燃机。目前，中国境内每年都有大量的水稻秸秆等农副产品被浪费。采用新技术提高对这些农副产品的利用，能够增加农民的收入，同时也能够减少废弃的农副产品对环境的破坏。本题目的目的是设计一个年产量为100000吨燃料乙醇工厂。设计内容主要包括生产工艺流程设计、工艺计算（物料衡算、蒸汽衡算、水衡算等）、设备的计算与选型、工厂布置设计、经济利润概算等内容。最后，工厂确定以水稻秸秆为原料，再用深度共熔溶剂(deep eutectic solvents, DESs)预处理，采用同步糖化发酵法(Synchronous saccharification fermentation, SSF)发酵，经过发酵、分离、精馏、脱水等方法进行纯化分离，最终得到燃料乙醇产品。工厂年用水量8.64×106t，年用电量3.18×106 kW•h，每年可以获利1.81亿元。

本设计包括：设计说明书1份、设计图纸4张。设计图纸包括：生产工艺流程图、重点生产设备装配图（种子罐、发酵罐）、工厂总平面布置设计图。

关键词：乙醇，深度共熔溶剂，工厂设计

 

Abstract

Fuel ethanol is a new type of energy that is expected to replace petrochemicals in the face of increasingly depleted resources such as oil and natural gas. It uses biomass as raw material, and is a kind of high calorific value energy which helps it become widely applied to a variety of internal combustion engines. At present, there is a large number of agricultural and sideline products such as rice straw are wasted in China every year. The using of new technologies to improve the use of these agricultural and sideline products, can increase the income of farmers, and reduce the destruction by the abandoned agricultural and sideline products for the environment. The purpose of this topic is to design an annual production of 100,000 tons of fuel ethanol plant. The design content includes production process design, process calculation (material accounting, steam accounting, water balance, etc.), equipment calculation and selection, factory layout design, economic profit estimates and so on. Finally, the plant was determined by using rice straw as raw material and then pretreated with deep eutectic solvents (DES). The fermentation was carried out by synchronous saccharification fermentation (SSF). Fuel ethanol was carried out by fermentation, separation, distillation and dehydration. Plant annual water consumption is 8.64 × 106t, and the annual electricity consumption is 3.18 × 106 kW • h, but in the end, it can profit 1.81 billion yuan each year.

The design includes a design instructions and 4 pieces of design drawings. They are the production process flow chart, and the key production equipment assembly diagram (seed tank, fermentation tank), the total layout plan of the factory.

Key words: Ethanol, Deep eutectic solvents, Factory design

 

目录

1 绪论 1

1.1乙醇概述 1

1.2燃料乙醇 1

1.2.1发展燃料乙醇的意义 2

1.2.2燃料乙醇的发展现状 2

1.2.3燃料乙醇的发展前景 3

1.3生物乙醇发酵 3

1.4燃料乙醇的生产方法 3

1.4.1乙醇发酵的菌种 4

1.4.2微生物乙醇发酵环境 4

1.4.3燃料乙醇的生产 5

1.4.4乙醇的分离纯化 5

2  厂址选择 6

2.1  厂址选择的原则 6

2.2  厂址选择的条件 6

2.2.1  交通物流 6

2.2.2  气候环境 7

2.2.3  地形地势 7

2.2.4  其他优势 7

3 生产工艺流程设计 8

3.1生产方案 8

3.2工艺流程图 8

3.3工艺步骤 8

3.3.1水稻秸秆的粉碎 8

3.3.2 DES处理 8

3.3.3酿酒酵母S-13菌种培养 9

3.3.4同步糖化发酵 9

3.3.5醪液分离 9

3.3.6酒精蒸馏 9

4 物料衡算 10

4.1生产周期 10

4.2物料计算 10

4.2.1水稻秸秆用量的计算 10

4.2.2预处理物料的计算 10

4.2.3发酵液量的计算 10

4.2.4发酵辅料的计算 11

4.2.5成品和废醪液的计算 12

4.2.6总物料衡算 12

5 其他衡算 14

5.1热量衡算 14

5.1.1预处理的热量衡算 14

5.1.2发酵罐的热量衡算 14

5.1.3醪塔的热量衡算 15

5.1.4蒸馏塔的热量衡算 16

5.2 供水衡算 17

5.2.1预处理用水量的计算 17

5.2.2发酵罐用水量的计算 17

5.2.3精馏塔分凝器冷却水的计算 18

5.2.4成品冷却用水和杂醇稀释用水的计算 18

5.2.5总用水量的计算 19

5.3蒸汽衡算 19

5.4用电量计算 19

6 设备的计算和选型 20

6.1蒸汽爆碎器的计算和选型 20

6.2蒸煮锅的计算和选型 20

6.2.1高径的计算和选型 20

6.2.2 搅拌器参数的计算 20

6.2.3 壁厚的计算 21

6.2.4 蒸煮锅数量的确定 21

6.2.5 气升管的计算 22

6.3过滤槽的计算和选型 23

6.4发酵罐的计算和选型 23

6.4.1高度、直径、封头的计算 23

6.4.2 搅拌器参数的计算 23

6.4.3 壁厚 24

6.4.4 发酵罐个数确定 25

6.4.5 发酵罐冷却装置的计算 25

6.4.6 管径计算 26

6.5一级种子罐的计算和选型 27

6.5.1高度、直径、封头的计算 28

6.5.2 搅拌器参数的计算 28

6.5.3 壁厚 29

6.5.4 一级种子罐个数确定 29

6.6二级种子罐的计算和选型 30

6.6.1 高度、直径、封头的计算 31

6.6.2 搅拌器参数的计算 31

6.6.3 壁厚 32

6.6.4 二级种子罐个数确定 32

6.7蒸馏塔及其辅助设备的计算和选型 34

6.7.1 蒸馏设备的计算与选型 34

6.7.2 辅助设备的计算与选型 34

7 废物的处理与利用 36

7.1 废气的处理与利用 36

7.1.1 二氧化碳的处理 36

7.2.2 其余气体处理 36

7.2 废液的处理与利用 36

7.3 废渣的处理与利用 37

8 效益计算 38

8.1 年销售额 38

8.2 原料成本 38

8.2.1 预处理物料核算 38

8.2.2 发酵物料核算 38

8.3 燃煤成本 39

8.4 用水成本 39

8.5 用电成本 39

8.6 仓储成本 39

8.7 人力成本 39

8.8 利润计算 40

9 总平面设计 41

9.1 总平面设计的原则和要求 41

9.2 工厂组成 41

9.2.1 生产车间 41

9.2.2 辅助车间 41

9.2.3 动力车间 41

9.2.4 行管部门和职工宿舍 41

9.3 总平面布置图 42

10 结论 43

参考文献 44

结论

本设计以水稻秸秆为原料，发酵生产燃料乙醇。原料处理策略为使用深度共溶溶剂预处理的方法，提高纤维素的利用率。发酵采用同步糖化发酵的工艺的连续发酵法。燃料乙醇采用蒸馏脱水的方法制备。工厂年用水量8.64×106t，年用电量3.18×106 kW·h，每年可以获利1.81亿元。

 

参考文献

[1]GB 18350-2001, 中华人民共和国国家标准: 变性燃料乙醇[S]. 北京: 中国标准出版社, 2010.

[2]刘荣厚, 梅晓岩, 颜涌捷. 燃料乙醇的制取工艺与实例[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007. 11.

[3]乔映宾. 解读车用乙醇汽油扩大试点方案及实施细则[J]. 石油商技, 2004, 22(2): 1-4.

[4]陈必链. 微生物工程[M]. 北京: 科学出版社, 2010.7.

[5]Sudipta D. , Saikat D. , Basudeb S. , et al. One-Pot Conversions of Lignocellulosic and Algal Biomassinto Liquid Fuels[J]. Chemsuschem, 2012, 5(9): 1826-1833.

[6]余晓斌, 具润莫. 分批与流加发酵法生产纤维素酶的研究[J]. 食品与发酵工业, 1999, 1(25): 16-19.

[7]叶梅, 黄超梅, 林凯鹏等. 经胆碱氨基酸水溶液预处理的水稻秸秆中残留木质素对多糖酶水解抑制作用研究[J] 现代食品科技, 2017, 5(33): 1-6. 

[8]宋丹. 耐高温酿酒酵母S-13连续发酵生产燃料乙醇研究[D]. 华中农业大学, 2011.

[9]Xu F. , Sun J. , Murthy N. V. S. N., et al. Transforming Biomass Conversion with Ionic Liquids: Process Intensification and the Development of a High-Gravity, One-Pot Process for the Production of Cellulosic Ethanol[J]. Energy & Environmental Science, 2016, 9(3): 1042-1049. 

[10] Hou X. D. , Xu J. , Li N. , et al. Effect of Anion Structures on Cholinium Ionic Pretreatment of Rice Straw and the Snbsepuent Enzymatic Hydrolysis[J]. Biotechnology and Bioengineering, 2015.1, 112(1): 65-73.

[11] 常春, 赖智乐, 马晓建. 纤维素乙醇发酵工艺的比较及放大试验研究[J]. 郑州大学学报, 2011, 2(32): 15-18.

[12] 余晓斌, 具润莫. 里氏木霉液体发酵法生产纤维素酶[J]. 食品与发酵工业, 1998, 1(24): 20-25.

[13] 许开天. 酒精蒸馏技术(第四版)[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2016.1.

[14] 杨生雨, 张建新. 发酵工程[M]. 北京: 科学出版社, 2013.7.

[15] 郑裕国, 薛亚平. 生物工程设备[M], 北京: 化学工业出版社, 2007.4.

[16] 李功样, 陈兰英, 余林. 化工单元操作过程与设备(上册)[M], 广州: 华南理工大学出版社, 2010.6.

[17] 丁桓如, 吴春华, 龚云峰. 工业用水处理工程[M], 北京: 清华大学出版社, 2005.12.