年产10万吨纤维质原料酒精发酵工艺设计
本产品为纤维质原料酒精，质量规格为一等品，执行国家《GB/T394.1-94》标准，具体指标见下表1-1。
纤维质原料酒精质量标准《GB/T394.1-94》
项 目 优等品 外观气味 乙醇（20℃）%（V/V）≥ 硫酸试验号≤ 氧化试验，分≥ 醛（以乙醛计）g/100mL≤ 无色透明液体无异味 96.0 10 30 0.0005 指 标 一等品 无色透明液体无异味 95.5 80 15 0.003 0.008 0.12 0.004 0.004 0.0025 杂醇油（以异丁醇异戊醇计）g/100mL≤ 0.001 甲醇g/100mL≤ 酸（以乙酸计）g/100mL≤ 酯（以乙酸乙酯计）g/100mL≤ 不发挥物g/100mL≤
表1—2 发酵醪的成熟标准 项 目 镜检
外观精度/°Bx 还原糖/% 带渣总糖/% 滤液总糖/%
乙醇含量（体积分数）/% 总酸 挥发酸
连 续 发 酵 酵母形态正常无杂菌 0.5以下 0.3以下 1以下 0.7以下 8～10
总酸不超过0.5 0.1～0.15 0.08 0.003 0.003 0.002 2.生产方案选择
2.1生产方法
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将纤维素生物质转化为燃料酒精，可以降低传统以粮食为原料的酒精发酵工业的成本，充分利用这种数量巨大的可再生资源。纤维素酶将预处理的纤维质原料降解为酵母可直接利用的D-葡萄糖，转化为酒精。对纤维质原料制酒精的研究主要有原材料的预处理、如何降低纤维素酶的成本、发酵过程的优化、菌种的合理运用和改造、酒精废糟的综合利用。
纤维素发酵酒精工艺分为酸水解工艺和酶水解工艺两种流程.
2.1.1酸水解
酸水解可以分为稀酸水解和浓酸水解，可以在较温和的条件下进行。稀酸水解可以将半纤维素转化为单元糖，原料中的重金属被稀酸溶解，然后以氢氧化物的形式沉淀，最后和石膏一起被过滤掉。稀酸水解糖的转化率只能达到50%，其水解过程中产生一种络合物，是大多数微生物的抑制剂。浓酸水解约有90%的纤维素和半纤维素转化的糖被回收，但是浓酸水解中的酸难以回收。酸水解纤维素类物质早在19世纪末就有研究，但是迄今进展不大。传统处理途径是用石灰中和水解液，以调节PH值达到发酵生产要求。1987年，I.adisch等提出用离子排斥法（LE）分离水解液中酸和糖的方法，据Nanguneri等在1990年的估算，该法比传统的石灰中和法经济。1998年Wooley等又提出了9段模拟移动床LE分离酸液和糖液的方法，据称不但能有效地分离硫酸和糖液，还能把水解副产物醋酸去除，已知后者是影响发酵的主要有害物质。酸水解过程中还要求容器是防腐蚀、耐酸、耐压的，容器体积也较大。另外，酸解常会伴随生成有毒产物乳糖醛、酚类等物质，需要改善工艺，减少这些物质的产生。
2.1.2酶水解
现在所使用的纤维素酶都是由真菌产生的。纤维素酶的研究首先着眼于厌气性分解菌，由于这些细菌一般不分泌胞外酶，产能低，多数对结晶纤维素没活性。接着又有人提出使用好气性分解菌，如李氏木霉，后来又分离到酶活性相似的正青霉和能分解棉花的疣孢青霉。 由于酶具有底物高度专一性，所以产率很高，而且副产物很少，所以对于进一步的乙醇发酵减轻了提纯的工作量。但是，酶的成本较高，纤维素的酶解又需要大量的酶，在实际应用过程中对之加以有效地回收利用是必要的措施，研究较多的是采用超滤膜回收技术。另外，通过对微生物菌株的选择、诱变，以挑选能够增加酶的产率和提高酶的活性的突变株，达到降低酶用量的目的。工业化酒精发酵需要必需的营养成分量巨大，因此，降低营养物质的成本，寻求廉价资源是研究的方向。
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2.1.2.1纤维素直接发酵生产乙醇
厌氧性的热纤梭菌（ Clostridium themocellum ）能直接将纤维素转化为乙醇。因为其细胞壁表面分布有不连续的包含有纤维素酶系的纤维素体 （ Cellulosome ），这些纤维素体与纤维素相黏附，然后纤维素酶系逐步将纤维素分解为可溶性糖类，吸收入细胞进一步利用，转化为乙醇。然而，其纤维素水解成糖的比率一般仅有 10%~20% 。这表明直接将纤维素转化为乙醇在理论上是可行的，但在实际工业化过程中如何提高乙醇的转化效率仍有许多问题有待解决。现已研究出利用混合菌直接发酵等技术来提高乙醇转化率，可见其前景是相当广阔的。
2.1.2.2木糖发酵生产乙醇
最有工业应用前景的木糖发酵产乙醇的微生物共有3种酵母菌种即管囊酵母（Pachysolen tannophilus）、树干毕赤酵母（Pichia stipits）和休哈塔假丝酵母（Candida shechatae）。这些菌属对木糖代谢的途径见下图：
2.1.2.3纤维素间接发酵生产乙醇
主要过程是：利用产纤维素酶的微生物或纤维素酶先将纤维素糖化，变成发酵性糖，再利用酵母将其发酵成乙醇。
但由于木质纤维素的组成成分复杂、稳定，使得其生物降解难于迅速进行，因此在糖化
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前需借助化学的、物理等方法进行预处理（见表1）。
在生产中主要用的糖化菌是曲霉和根霉。曲霉有黑曲霉 ( A.niger ) 、白曲霉和米曲霉 ( A.oryzae ) 等；根霉则以东京根霉（又称河内根霉）、黑根霉 ( R.nigricans ) 等应用最广。
酵母菌在厌氧条件下利用糖化后的葡萄糖时，先形成丙酮酸，丙酮酸脱羧形成乙醛，乙醛再在乙醇脱氢酶作用下形成酒精。其反应过程如下：
乙醇发酵能力最强的酵母菌是子囊菌冈酵母菌属的啤酒酵母 ( Saccharomyces cerevisiae ) 。细菌中能进行乙醇发酵的菌种不多，仅有发酵单胞菌（Zymomonas ）、胃八叠球菌（Sarcina ventriculi ）和解淀粉欧文氏菌 (Erwinia amylovora ) 等少数种。它们在形成乙醇时的途径于酵母菌不同。运动发酵单胞菌（Z. mobilis ）可以通过 ED 途径发酵葡萄糖产生酒精。
2.2生产方案确定
1.燃料酒精是一种潜力巨大的生物能源，纤维质原料具有来源广泛、成本低廉、可再生等优点
2.酶的催化高效性
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3.用酶催化使得成本较低
4.由于酶具有底物高度专一性，所以产率很高，而且副产物很少，所以对于进一步的乙醇发酵减轻了提纯的工作量。3.1生产工艺流程设计及说明
5.酶的的水解属于绿色工业,在21世纪将会是主流产业,具有广阔的前景
3.1.1纤维素发酵乙醇工艺概述
目前用于生产木质纤维素燃料乙醇的工艺主要有四种：分步糖化和发酵（SHF）、同时糖化和发酵（SSF）、同时糖化和共发酵（SSCF）以及联合生物加工（CBP）。本文选用SHF工艺，下面将对各个工段的工艺流程工艺条件及工艺流程的确认，以保证本设计的可行性和严谨性。
3.2生产工艺流程说明 3.2.1 预处理工序
（1）目的
①切断纤维素、半纤维素、木质素之间的氢键，破坏纤维素的晶体结构，去除半纤维素和木质素，以提高纤维素的转化率。
②增加了原料的流动性，有利于连续性生产。 （2）工艺流程
纤维素预处理通常的方法有三种：物理法、化学法、复合法。本工序采用玉米秸秆为原料，利用物理法
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进行预处理，其流程图如下图3-2所示，经过该工序后半纤维素、
木质素随滤液分离，最终得到脱木质素的纤维素进入酶水解共序。
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