一般成熟的酵母细胞数为1×10个/毫升。
② 出芽率 酵母出芽率是衡量繁殖旺盛与否的一项指标，出芽率高，说明酵母处于旺盛的生产期。反之，说明酵母衰老。成熟的酵母出芽率要求在15%~30%。如果出芽率低，说明培养过程有问题，应根据具体情况及时采取措施进行挽救。
③ 死亡率 用美蓝对酵母细胞进行染色，如果酵母细胞被染成蓝色。说明细胞已死亡。正常培养的酵母不应有死亡现象，如果死亡率在1%以上，应及时查找原因，采取措施。
④ 耗糖率 酵母的耗糖率是观察酵母的指标之一。成熟酵母耗糖率一般要求控制在40%~50%。耗糖率太高，说明酵母培养已经过“老”，反之则过“嫩”。
⑤ 乙醇含量 成熟酵母醪中的乙醇好靓一方面反应了耗糖情况，也反应酵母成熟程度。如果酒母醪中的乙醇含量高，说明营养消耗大，酵母培养过于成熟。此时，应停止酒母培养，否则会因营养物质缺乏或乙醇含量高而抑制酵母生长，造成酵母衰老。成熟酒母醪中乙醇含量一般在3%~4%（体积分数）。
⑥ 酸度 测定酒母醪中的酸度是判断酒母醪是否被细菌污染的一项指标。如果成熟酒母醪中酸度明显增高，说明酒母被产酸细菌污染。酸度增高太多，镜检时又发现有很多杆状细菌，则酒母醪不易作为发酵种子使用。 3.3.4发酵乙醇的机理
乙醇发酵作用，就是酵母菌把可发酵性的糖经过细胞转化生成乙醇与CO2，然后通过细胞膜将这些产物排出体外的过程。从酵母菌体中可以分离出二三十个酶，但直接参与乙醇发酵的只有十多个。与乙醇发酵有关的有两类：一类是水解酶，另一类是糖-乙醇转化酶。
水解酶是一类可以将简单的碳水化合物、蛋白质等物质加水水解，生产更简单的物质酶。酵母主要含有的水解酶有蔗糖酶、麦芽糖酶和肝糖酶。
糖-乙醇转化酶是参与乙醇酶发酵的各种酶和辅酶的总称。它主要包括己糖激酶、氧化还原酶、烯醇化酶、脱羧酶和异构酶等。它们都是胞内酶。在这些酶的顺序作用下，糖分最终被转化为乙醇。 3.3.5乙醇发酵工艺
乙醇发酵工艺分为间歇发酵、连续发酵和半连续发酵三种。根据本工艺年产量，选择间歇发酵法中的一次加满法，以下对其进行简单介绍。
一次加满法。该法是将糖化醪冷却到27~30℃后，送进已经清洗、灭菌的发酵罐中，一次加满，同时加入10%的酒母醪，经60~72h发酵即得到成熟发酵醪。该法具有操作简单，易于管理的优点。但存在初始酵母密度低，发酵迟缓期延长，初始生长和发酵速度低的缺点。但该法较适用于小型发酵工厂使用。
3.3.6乙醇发酵的成熟指标
乙醇发酵醪成熟指标的控制是生产中一项重要工作。如果控制恰到好处，不但可以提高设备利用率。增加乙醇产量。而且可以大大降低原料消耗，提高淀粉出酒率。
发酵醪的成熟虽然与发酵时间。醪液浓度。发酵温度、酵母接种量和发酵方式等因素有关，但最终主要有表3.2所列的几项指标来控制。
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
表3.2 发酵醪的成熟指标
间 歇 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
8
淀粉乙醇产率和淀粉利用率是衡量整个乙醇生产的综合指标，其高低与原料消耗有直接关系。提高乙醇产率是发酵乙醇生产企业的重要任务
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3.4空气除菌与设备
1）空气除菌 生物加工过程中，由于所用菌种的生产能力的强弱、生长速度的快慢、发酵周期的长短、分泌物质的性质、培养基的营养成分和pH的差异等，对所用空气质量有不同的要求。一般来说，生物加工过程中应用的“无菌空气”，是指通过除菌处理是空气中的含菌量降低到某一水平，从而是污染的可能性降低至极小。根据生物产品的不同，可以按染菌概率10-3～10-6来表示无菌过程度。
2）灭菌方法 空气除菌就是除去或灭杀空气中的微生物。常用的除菌方法有介质过滤、辐射、化学药品、加热、静电吸附等。其中辐射杀菌、化学药品杀菌、干热杀菌灯都是讲有机体蛋白质变性而破坏其活力，从而灭杀空气中的微生物。而介质过滤和静电吸附方法则是利用分离方法将微生物粒子除去。生物工程所需的无菌空气要求甚高，用量大，故要选择运行可靠、操作方便、设备简单、节省材料和减少劳动消耗的有效除菌方法。本设计采用介质杀菌去除空气中的细菌。现对介质过滤除菌做简要介绍。
过滤除菌法事使含菌空气通过过滤介质，以阻截空气中所含微生物，从而取得无菌空气的方法，是目前生物加工过程最常用的获得大量无菌空气的常规方法。常用的过滤介质按空隙的大小可分为两类：一类是介质间空隙大于微生物直径，故必须有一定厚度的介质虑层才能达到过滤除菌的目的，这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）；而另一类介质的空隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称为绝对过滤。绝对过滤在微生物工程中的应用逐渐增多，它可以除去0.2um左右的粒子，故可以把微生物全部过滤除去。从经济性、可操作性、有效性等方面考虑，生物加工过程的无菌空气基本上采用介质过滤的方法进行。
3）空气过滤除菌的流程
要保持过滤器在比较高的效率下进行过滤，并维持一定得气流速度和不受油、水的污染，需要一系列的加热、冷却及分离和除杂设备来保证。下面是空气过滤除菌的流程。
两级冷却、加热除菌流程是一个比较完善的空气除菌流程（图3-2），可适应各种气候条件，能充分分离油水，使空气在低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。该流程的特点是两次冷却、两次分离、适当加热。两次加热、两次分离油水的好处是能提高传热系数，节约冷却水，油水分离得比较完全。经第一冷却器冷却后，大部分的水、油都已结成较大的颗粒，且雾粒浓度较大，故适宜用旋风分离器分离。第二个冷却器使空气进一步冷却后析出一部分较小雾粒，宜采用丝网分离（除沫）器分离，这样发挥丝网能够分离较小直径雾粒和分离效率高的作用。通常，第一级冷却到30～35℃，第二级冷却到20～25℃。除水后，空气的相对湿度相对较高，需用丝网分离器后的加热器加热空气，使其相对湿度降低至50%～60%，以保证过滤器的正常运行。
两级冷却、加热除菌流程尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备进行适当增减。一些对无菌程度要求比较高的微生物工程产品，均使用如图3.2的流程[19]。 8 7 9 1 2 3 5 6 4 E-6P-31—粗过滤器；2—压缩机；3—储罐；4，6—冷却器；
5—旋风分离器；7—丝网分离器；8—加热器；9—过滤器
图3.2 两级冷却、加热除菌流程
4）除菌设备的选型 ①粗过滤器
安装在空气压缩机前的粗过滤器，其主要作用是捕集较大的灰尘微粒，防止压缩机受损，同时也可减轻总过滤器的负荷。粗过滤器一般要求过滤效率高、阻力小，否则会增加空气压缩机的吸入负荷和降低空气压缩机的排气量，常用的粗过滤器有：布袋过滤、填料式过滤、油浴洗涤和水雾除
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尘等。
本设计选用CH型袋式过滤器，主要因为布袋过滤器结构最简单，只要将滤布缝制成与骨架结构相同的布袋，紧套于焊在进气管的骨架上，并缝紧所有会造成短路的空隙。他的过滤效率和阻力损失主要视所选用的滤布结构情况和过滤面积而定。布质结实细致，则过滤效率高，但阻力大。最好采用毛质绒布效果最好，现多采用合成纤维滤布、无纺布。气流速度越大，则阻力越大，且过滤效率越低。气流速度一般为2～2.5m3/(m2·min)，空气阻力大约为600～1200Pa。滤布要定期清洗，以减少阻力损失和提高过滤效率。
②空气压缩机
本设计选用IHI-SULLAIR离心式空气压缩机，离心式空气压缩机一般的由电机直接带动涡轮，靠涡轮高速旋转时所产生的“空穴”现象，吸入空气并使其获得较高的离心力，再通过固定的导轮和涡轮形成机壳，使部分动能转变为静压后输出。离心式空气压缩机具有体积和重量都小而流量很大、供气均匀 、运转平稳、易损部件少、维护方便、获得的空气不带油雾等特点，是非常理想的生物加工过程供气设备。适用于生物加工过程的离心式空气压缩机是低压涡轮空气压缩机，出口压力一般为0.25～0.5MPa。低压离心空气压缩机有单级和多级，后者还可以分段。例如，两段涡轮空气压缩机每段可有多级翼轮，段与段间有中间冷却设备。输气量一般在100m3/min以上，最大的可达12000m3/min。
③空气储罐
由空气压缩机特别是往复式空气压缩机出来的空气是脉动的，在过滤器前要安装一个空气储罐来消除脉动维持罐压的稳定。储气罐的作用使压力稳定外，还可以使部分液滴在罐内沉降。 体积为
V?0.2??0.2?200?40m3
?——压缩空气流量，m3/min
3
V——储气罐的体积，m
储气罐圆筒部分的高径比通常为2～2.5。储气罐上应安装安全阀，底部应安装排污口，空气在储罐中的流向应自下而上比较好，如能在罐内放置铁丝网除雾器则更理想。
④气液分离器
空气压缩后，经过冷却会有大量水蒸气及油分凝结下来，使过滤介质受潮，从而使过滤器失效，因此尚需用气液分离器进行油水分离。所用设备一般有两类，一类是利用离心力进行沉降的旋风分离，另一类是利用惯性进行拦截的介质过滤器[20]。本研究选用旋风式分离器。
旋风式分离器是一种结构简单、阻力小、分离效果较高的气-固或气-液分离设备。旋风分离器器体上部为圆筒形，下部为圆锥形。含雾沫的气体从圆筒上侧的进气管以切线方向进入，获得旋转运动，分离出雾沫后从圆筒顶的排气管排出。油水滴自锥低落入集液斗。
气体通过进气口的速度为15m/s，所分离的离心力可以分离出小到5?m的颗粒及雾沫。排气口气流速度为5m/s，油水滴在旋风分离器中的径向速度与空气速度的平方成正比，但随回转半径的增加而减小，因此旋风分离器的进口管截面积一般比较大，筒径越小，空气的阻力也就越大。
⑤空气冷却器
常用的空气冷却用热交换器，有立式列罐式热交换器、喷淋式热交换器等。由于空气的给热系数很低，一般只有420kJ/(m2·h·℃),设计时应采用恰当的措施来提高它的给热系数，否则将需要很大的传热面积。
使用立管式换热器时，冷却水在管内流动，流速为2m/s；空气在壳内流动，流速为10m/s。为增加冷却水的流速可采用多程（一般为2～4程）换热器；同时为增加空气在壳体内流动，换热器壳体内装有若干与管束垂直的圆缺型挡板或盘装挡板[21]。若水质条件较好，如杂质少不易形成积垢时，为提高空气给热系数，壳安装空气走管内，造成多程流动以提高空气流速。
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4 物料衡算
4.1原料消耗的计算
淀粉原料生产乙醇的总化学反应式为：
(C6H10O5)n+nH2O?nC6H12O6?2C2H5OH+2CO2糖化阶段：
(C6H10O5)n+nH2O?nC6H12O6
162 18 180
发酵阶段：
C6H12O6?2C2H5OH+2CO2
180 2×46 2×44
4.1.1每吨95%乙醇木薯干的消耗量
由此可求得理论上生产1000kg无水乙醇所消耗的淀粉量为：
1000?1622?46?1760.9kg
乙醇含量95％（体积分数），相当于92.41％（质量分数），故生产1000kg成品乙醇理论上需淀粉量为：
1760.9×92.41％=1627.2 kg 而实际上，整个年产过程经历的各工序，如原料处理、发酵及蒸馏等，要经过复杂的物理化学和生物化学反应，所以产品得率必然低于理论产率。生产中各过程各阶段淀粉损失如表4.1所示
表4.1 生产中各过程各阶段淀粉损失
生产过程 原料处理 蒸煮 发酵 发酵 发酵 蒸馏
损失原因 粉尘损失 淀粉残留 发酵残糖 巴斯德效应
酒气蒸发及二氧化碳带走
废槽带走
淀粉损失 0.4 0.5 1.50 4.00
0.30（加捕集器）
1.85
发醇阶段系统设有酒精捕集器，故淀粉总损失率为8.55%,故生产1000kg乙醇需淀粉量为：
1627.21?8.55%?1779.3kg
据基础数据给出，薯干原料含淀粉70%，故1吨酒精耗薯干量为：
1779.3/70%=2541.9kg
4.1.2每吨95%乙醇α-淀粉酶的消耗量
液化时淀粉酶的添加量为：
淀粉酶规格单位
本设计选用酶活力为2000u/g的α-淀粉酶使淀粉液化，促进糊化，可减少蒸汽消耗。α-淀粉酶消耗量按8u/g（原料）计算。则用酶量为：
82541.9??10kg2000
4.1.3每吨95%乙醇糖化酶的消耗量
[22]
糖化时淀粉酶的添加量为：
用酶量=原料用量?淀粉酶用量单位第 18 页 共 50页
糖化酶规格单位
本设计选用糖化酶活力为20000u/g,使用量按150u/g（原料）计算。则用酶量为：
1502541.9??19kg20000
4.2醪液量的计算
根据生产实践，淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1:3，还需加入10kgα-淀粉酶，的故粉浆量为：
用酶量=原料用量?糖化酶用量单位2541.9 (1+3)+10=10177 kg
蒸煮过程使用直接蒸汽加热，在后熟和汽液分离器减压蒸发、冷却降温。在蒸煮过程中，蒸煮醪量将发生变化，故蒸煮醪的精确计算必须与热量衡算同时进行，顺而十分复杂。为简化计算，可按下述方法近似求解。
本设计用罐式连续蒸煮工艺，混合后粉将温度为50℃，应用喷射液化器使粉浆迅速升温至88℃，然后进入罐式连续液化，再经115℃高温来酶后，在真空冷却器中闪急蒸发冷却至63℃后入糖化罐。
干物质近似用的薯干比热容1.63 kJ/(kg·K)，粉浆干物质浓度为：
87÷（4×100）=0.218kJ/(kg·K)
蒸煮醪比热容为：
21.8%×1.63+(1.0-21.8%)×4.18=3.62kJ/(kg·K)
式中 4.18—水比热容[kJ/(kg·K)] 经喷射液化器加热后蒸煮醪量为：
10177?10177?3.62?（88?50）?10765kg2748.9?88?4.18
式中 2748.9—喷射液化器加热蒸汽(0.5MPa)的焓(kJ/kg)
经第二液维持罐出来的蒸汽醪量为：
10765?式中 2288.3—第二液化维持的温度为84℃下饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg) 经喷射混合加热器后的蒸煮醪量为：
10697?10697?3.62?（115?84）?11226kg2748.9?115?4.18
10765?3.62?（88?84）?10697kg2288.3
式中 115—灭酶温度(℃)
2748.9—0.5MPa饱和蒸汽的焓(kJ/K) 经汽液分离器后的蒸煮醪量为：
11226?式中 2245—104.3℃下饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg) 经真空冷却器后最终蒸煮醪液量为：
11032?11226?3.62?（115?104.3）?11032kg2245
式中 2351—真空冷却温度为63℃下的饱和蒸汽的汽化潜热(kJ/kg)
蒸煮后的醪液要加入19kg的糖化酶，故醪液的总量为：
10341+19=10360kg11032?3.62?（104.3?63）?10341kg2351
在发酵前还需在发酵醪中放入酒母醪，使原料发酵为乙醇，根据经验接种量按10%计，则投入的酒母醪量为：
0.1?10360?1036kg则发酵的总质量为：
由生产1000kg乙醇的各项物料衡算可算出年产量50000吨乙醇每小时、每天和每年的各项用量，
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10360+1036=11396kg