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甜高粱茎秆固体发酵生产燃料乙醇关键工艺及蒸馏设备研究

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摘要

第一章绪论

1.1课题研究背景与意义

1.1.1能源问题

1.1.2不同原料生产生物燃料乙醇工艺

1.1.3甜高粱生产燃料乙醇的优势

1.1.4甜高粱制取燃料乙醇工艺

1.1.5固态物料可溶性糖和乙醇提取方法

1.1.6研究意义

1.2国内外燃料乙醇研究现状

1.2.1国外燃料发展现状

1.2.2国内用甜高粱茎秆固体发酵生产燃料乙醇装置逐级放大研究过程

1.2.3国内以甜高粱茎秆生产燃料乙醇示范工程

1.3主要研究内容

第二章甜高粱茎秆固体发酵生产燃料乙醇工艺优化

2.1试验材料与方法

2.1.1试验材料

2.1.2主要仪器与设备

2.1.3试验设计与方法

2.1.4试验测定指标及方法

2.1.5数据处理与分析

2.2试验结果与分析

2.2.1接种比例试验结果

2.2.2发酵罐转速与填充率试验结果

2.2.3不同培养温度对不同酵母生长的影响

2.2.4不同酵母利用含二氧化硫物料发酵情况

2.2.5酵母硫胁迫条件下的生长特性

2.3本章小结

第三章甜高粱秆发酵渣中可溶性糖和乙醇的快速浸提方法

3.1试验材料与方法

3.1.5 SEM测试样品制备

3.1.6 t检验法验证两组数据的显著性差异

3.2试验结果与分析

3.2.1液相色谱标准曲线与检出限

3.2.2不同匀浆浸提时间对固液萃取效率的影响

3.2.3高速匀浆后超声预处理对浸提效率的影响

3.2.4样品的检测以及加标回收率

3.3本章小结

第四章逆流塔设计与制造

4.1设计思路与原理说明

4.1.1设计思路

4.1.2原理说明

4.2逆流塔主要技术环节设计

4.2.1逆流塔塔体结构设计

4.2.2逆流塔进出口蒸汽密封结构设计

4.2.3逆流塔连续下料控制设备设计

4.3逆流塔整机设计与设备说明

4.4本章小结

第五章逆流塔进行甜高粱固体发酵料蒸馏试验研究

5.1试验材料与方法

5.1.1试验材料

5.1.3试验设计与方法

5.1.4试验测定指标及方法

5.1.5样品分析与计算方法

5.2试验结果与分析

5.2.1不同蒸汽流量蒸汽消耗以及出酒酒度结果

5.2.2不同采酒位置蒸汽消耗以及出酒酒度结果

5.2.3不同乙醇含量物料蒸汽消耗以及出酒酒度结果

5.3本章小结

第六章逆流塔、发酵优化条件的工程验证

6.1试验材料与方法

6.1.1试验材料

6.1.2主要仪器与设备

6.1.3试验设计与方法

6.1.4试验测定指标及方法

6.1.5样品分析与计算方法

6.2.1酿酒酵母扩大培养结果

6.2.2发酵过程检测结果

6.2.3立式固态蒸馏塔蒸馏过程

6.3本章小结

第七章结论与展望

7.2展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

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摘要

化石燃料资源储备总量有限,因此在世界范围内用清洁、可再生能源替代化石燃料已成国际大势。甜高粱作为生产燃料乙醇原料之一具有不与人争粮、不与粮争地、不与牲畜争饲料等优势,同时甜高粱在耐盐碱、耐干旱、抵抗病虫害上具有较强特性,能够在目前尚未被利用的盐碱地、荒坡等边际土地上种植,具有显著的社会效益与经济效益。先进固体发酵技术(Advanced solid-state fermentation,ASSF)是目前甜高粱乙醇工业中最具竞争力的技术,其具有环保、高效的特点。为了进一步提高ASSF甜高粱乙醇技术工业生产的成本竞争优势,本文针对固体发酵工艺条件进行了系统优化,并开发出固体发酵产物的快速分析方法,筛选出对甜高粱保藏中防腐剂具有强耐受性的生产菌株,同时设计优化蒸馏设备以进一步降低能耗。 本文主要研究内容及结论如下: (1)优化了固体发酵工艺条件。甜高粱茎秆固体发酵生产燃料乙醇工艺中酿酒酵母最佳添加比例为15%(v/w);发酵罐转速与填充率对总糖转化速率影响较小。酿酒酵母TSH4具有广泛的温度适应范围;同时菌种TSH4表现出对甜高粱保藏防腐剂二氧化硫具有强耐受性,为ASSF技术的工业化应用中原料贮存奠定了基础。 (2)提出了固体发酵产物的快速分析方法。建立了一种甜高粱秆发酵渣中可溶性糖和乙醇的快速浸提方法,可用于生产过程监控。该方法中,高速匀浆粉碎2分钟能够几乎完全释放出固态样品中目标组分;回收率分析中蔗糖和乙醇在低、中、高三个水平的加标回收率在95%~105%之间。该浸提方法可靠,浸提时间短。 (3)设计制造了更实用的逆流塔,开展了蒸馏试验研究。以传统精馏塔为基础设计的逆流塔,解决了疏松多孔物料蒸馏过程进、出口蒸汽密封问题。逆流塔蒸馏试验最佳参数为蒸汽流量4kg/h;蒸汽出口位于物料上方;物料乙醇含量为8.65%(w/w)时,吨酒蒸汽能耗为4.28吨/吨酒,蒸汽耗能降低一半。 (4)逆流塔、发酵优化条件的工程验证。逆流塔蒸汽密封结构的有效性经过示范工程试验验证,用此结构密封乙醇回收率达到98%;以优化后的发酵条件在550m3固体发酵罐中发酵,总糖转化率为96.5%,酿酒酵母代谢效率达到95.1%。 综上,以上研究成果为实现ASSF甜高粱乙醇的连续化生产奠定了基础,从而进一步推动了ASSF甜高粱乙醇工业化进程。

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