年产吨甘油生产工艺流程设计.doc

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海南大学
化学工程与工艺专业

化工工艺课程设计

说明书

题 目: 年产5000吨甘油生产工艺流程设计
学 号:
姓 名:
年 级:
指导教师:
完成日期: 年 月 日

目 录
1.总论……………………………………………………………………………6
1.1概述 …………………………………………………………………………6
1.1.1甘油的性质…………………………………………………………………6
1.1.2产品用途……………………………………………………………………7
1.1.3甘油在国民经济中的重要性………………………………………………7
1.1.4甘油的市场需求……………………………………………………………7
1.2设计的目的和意义………………………………………………………8
1.2.1设计的目的…………………………………………………………………8
1.2.2设计的意义…………………………………………………………………8
1.3项目设计依据和原则……………………………………………………8
1.3.1设计依据……………………………………………………………………8
1.3.2设计原则……………………………………………………………………8
1.4设计范围……………………………………………………………………9
1.5甘油生产能力及产品质量标准…………………………………………9
1.5.1生产能力……………………………………………………………………9
1.5.2产品质量标准………………………………………………………………9
2.生产方案选择…………………………………………………………10
2.1生产方法……………………………………………………………………10
2.1.1以天然油脂为原料的生产…………………………………………………10
2.1.2合成甘油的生产……………………………………………………………11
2.1.3发酵甘油的生产……………………………………………………………14
2.2生产方案确定………………………………………………………… 16
3.生产工艺流程设计与说明………………………………………… 17
3.1生产工艺流程图…………………………………………………………… 17
3.2.生产工艺流程说明………………………………………………………… 19
4.工艺计算……………………………………………………………………22
4.1物料衡算……………………………………………………………………22
4.1.1原辅物料的计算……………………………………………………………22
4.1.2物料衡算汇总列表…………………………………………………………26
4.1.3水、 电、 煤的用量计算……………………………………………………27
4.2热量衡算……………………………………………………………………28
4.2.1蒸汽喷射液化器工段………………………………………………………28
4.2.2连消工段……………………………………………………………………28
4.2.3无菌空气制备工段…………………………………………………………30
4.2.4蒸发浓缩工段………………………………………………………………34
4.2.5减压蒸馏工段………………………………………………………………35
5.设备设计与选型…………………………………………………………36
5.1主要设备的选型………………………………………………………… 36
5.2辅助设备的选型………………………………………………………… 45
6.车间布置设计…………………………………………………………………… 47
6.1厂房布置原则………………………………………………………………47
6.2厂房的整体布置设计…………………………………………………… 48
6.3车间设备布置设计…………………………………………………………48
7.设计评析与总结…………………………………………………………56
参考文献…………………………………………………………………………58

1.总论
1.1概述
1.1.1甘油的性质
(1)性质
外观无色透明粘稠液体, 无臭、 无味、 具有吸湿性、 保润性、 软化性, 极显吸收空气中的水分, 水溶液呈中性, 可与水、 乙醇、 甲醇任意比例混合。具有良好的防冻性。
中文名称: 丙三醇( 甘油)
英文名称: glycerol
英文别名: Glycerine,1,2,3-Propanetriol, Trihydroxypropane.
CAS No.: 56-81-5
分子式: C3H8O3
分子量: 92.09
主要成分: 丙三醇
外观与性状: 无色粘稠液体, 无气味, 有暖甜味, 能吸潮。
熔点(℃): 18.18
沸点(℃): 290.9
密度≥ 1.260
相对密度(水=1): 1.26331(20℃) ,
沸点≥ 120 ℃
冰点在 -26 ℃以下
相对蒸气密度(空气=1): 3.1
粘度( 20℃): 1412mPa. (25℃):945mPa.s
饱和蒸气压(kPa): 0.4(20℃)
闪点(℃): 177
引燃温度(℃): 370
溶解性: 可混溶于乙醇, 与水混溶, 不溶于氯仿、 醚、 二硫化碳, 苯, 油类。 可溶解某些无机物。
(2)危害
健康危害: 食用对人体无毒。 对眼睛、 皮肤没刺激作用。
小鼠口服毒性LD50=31,500mg/kg.静脉给药LD50=7,560mg/kg.
燃爆危险: 本品可燃, 具刺激性。
危险特性: 遇明火、 高热可燃[1]。
1.1.2产品用途
合成树脂工业: 用于制造醇酸树脂、 环氧树脂、 甘油松香树脂、 改性酚醛树脂、 失水苹果酸干树脂、 聚醚树脂、 聚氨酯树脂。
医药工业: 用于制造甘油硼酸、 胃沅酶等。食品工业用于做甜味剂等, 也是聚氨酯泡沫反应的引发剂、 载色剂、 润滑剂、 烟草吸湿剂、 啤酒阻酵剂、 糖果防结晶剂、 乳脂防酸剂、 冷冻食品保鲜剂。
国防工业: 用于制造硝化甘油炸药。
纺织印染工业: 用作纺织物的防绉防缩处理剂、 扩散剂、 渗透剂、 润滑剂。
化工生产中: 用于溶剂、 吸收剂、 防冻剂等。
另外, 还用作在涂料、 炸药、 塑料、 牙膏、 化妆品、 食品、 烟草、 化工、 造纸、 电工材料等工业。
1.1.3甘油在国民经济中的重要性
甘油是油化学产品的重要副产品, 又是其它化学产品的重要原料, 主要用途有医药、 化妆品、 香烟、 炸药及食品。随着中国国民经济的不断发展, 作为国计民生重要化工产品的甘油市场需求量不断增长, 特别是在涂料、 化妆品工业和医药工业的需求在逐年增加。因此, 开发国内甘油的生产和应用, 对中国石油化学工业的发展意义重大。
1.1.4甘油的市场需求
据英国著名油脂化工专家Frank Gunstone估计, 全球甘油市场容量 在75万吨, 为86万吨, 将达到100万吨。当时, 她对生物柴油产业的发展速度及影响估计不足。根据Frost&Suliven的调查, 全球甘油产能已经达到约130万吨, 消费量97万吨。随着中国工业的高速发展, 市场对于甘油的需求也逐渐增加。可是在中国以前的甘油生产中, 主要靠天然法来生产甘油, 但这种方法的甘油产量低, 纯度低, 因此远远不能满足甘油的市场需求, 中国每年都需进口数量可观的甘油以满足国内市场需求。见表1.1[2]
表1.1 ～ 间中国甘油进口量( 单位: 吨)

1.2设计的目的和意义
1.2.1设计的目的
生产甘油以满足日益增长的市场需求同时获得很好的经济收益。
1.2.2设计的意义
( 1) 满足各行各业产品需求。
( 2) 能够长远解决公司的生存问题, 而且为当地提供更多的就业机会, 促进区域经济的发展。
( 3) 做到了真正意义上的绿色产业。
( 4) 有利于国家产业结构的调整, 保持国民经济的可持续发展。
1.3项目设计依据和原则
1.3.1设计依据
海南大学 化工工艺课程设计课题《年产5000吨甘油生产工艺流程设计》任务书, 见附件。
1.3.2设计原则
( 1) 按技术先进、 成熟可靠、 经济合理的原则对技术方案进行论证, 以确定最佳方案;
( 2) 尽可能采用节能工艺和高效设备, 充分发挥规模效应, 降低能耗、 物耗和生产成本, 提高项目的经济效益和社会效益;
( 3) 主体工程与环境保护、 劳动安全和工业卫生同时考虑, 以减少”三废”排放, 加强废渣治理, 确保安全生产, 消除并尽可能减小工厂生产对化境的不良影响和对工厂职工以及周边地区居民健康的危害。
1.4设计范围
本设计的主要内容:
( 1) 生产方案选择
( 2) 工艺流程设计与论证
( 3) 工艺原理与操作条件说明
( 4) 工艺计算——物料衡算与热量衡算
( 5) 生产主要设备设计计算与选型
( 6) 生产车间设备配置与布置设计
( 7) 编写项目设计说明书
( 8) 工程设计绘图
①带控制点的工艺流程图
②车间布置平面、 立面图、 工厂总体平面布置图( 可略)
设计重点: 工艺流程设计与论证、 工艺原理说明和工艺计算
1.5甲醇生产能力及产品质量标准
1.5.1生产能力
年产5000吨甘油, 年工作日为300天, 全天候连续生产。
1.5.2产品质量标准
本产品为精甘油, 质量规格为一等品, 执行国家《GB13206-91》标准, 具体指标见下表2。
表1.2 中华人民共和国甘油国家标准《GB13206-91》
指标名称
指标
优等品
一等品
二等品
外观 ≤
透明无悬乳物
气味 ≥
无异味
色泽, Hazen ≥
20
30
70
甘油含量, % ≥
98.5
98.0
95.0
密度( 20) , g/ml ≥
1.2572
1.2559
1.2481
氯化物含量( 以cl计) , % ≤
0.001
0.01
-
硫酸化灰分, % ≤
0.01
0.01
0.05
酸度或碱度, mmol/100g ≤
0.064
0.10
0.30
皂化当量, mmol/100g ≤
0.64
1.0
3.0
砷含量, ( 以As计) , mg/kg ≤
2
2
-
重金属含量( 以Pb计) , mg/kg ≤
5
5
-
还原性物质
无沉淀或银镜
-

2.生产方案选择
2.1生产方法
甘油作为重要的有机化工原料, 常见的制取方法有三种: 一是从天然油脂皂化生产肥皂的副产品获得, 还有少部分是从油脂水解的副产品中获得, 即油脂皂化水解法; 二是通丙烯氯化法、 丙烯醛法、 丙烯过乙酸氧化法合成甘油, 即化学合成法; 三是利用粮食资源料转化发酵制取甘油, 即发酵法。化学合成法生产的称为合成甘油, 以天然油脂为原料的方法和发酵法, 所得甘油都称为天然甘油。当前天然甘油和合成甘油的产量几乎各占50%。
2.1.1以天然油脂为原料的生产
( 1) 皂化甘油( 油脂皂化)
油脂皂化是油脂与碱液在一定条件下反应生成肥皂及甘油的过程,其反应方程式如下:

甘三酯 苛性钠 肥皂 甘油
皂化反应产物分成2 层: 上层主要是含脂肪酸钠盐( 肥皂) 及少量甘油: 下层是废碱液, 为含有盐类、 氢氧化钠的甘油稀溶液, 一般含甘油质量分数9％～16％, 无机盐质量分数8％～20％。
( 2) 油化甘油( 油脂水解)
油化甘油是指油脂与过量水在一定条件下反应生成脂肪酸和甘油的过程。油脂水解的主产品是硬脂酸、 油酸等油化产品, 甘油是副产品。其理论上总反应方程式

甘三酯 水 脂肪酸 甘油
　由于油脂水解工艺多、 操作条件差异大,所得的甜水浓度及杂质含量并不相同,甘油在甜水中的浓度约为12% ~18%,其中较为现代的高温高压连续逆流水解法因不使用催化剂,仅利用高压蒸汽促使油脂水解,所得的甜水质量好,可进一步加工成高品质甘油。
( 3) 油脂醇解
油脂醇解是指油脂与过量低碳链醇(如甲醇)在一定条件下反应生成脂肪酸酯和甘油的过程,反应方程式如下:

甘三酯 甲醇 脂肪酸甲酯 甘油
在此反应过程中,每生产1Kg脂肪酸甲酯,约产生0·1Kg左右的甘油,迅速升温的生物柴油(即脂肪酸甲酯)投资热使得以其副产品为来源的甘油受到重视。
无论是制皂废液, 还是油脂水解得到的甘油水所含的甘油量都不高( 质量分数10%左右) , 而且都含有各种杂质。因此, 需要净化、 浓缩的过程先得到粗甘油, 然后将粗甘油进行蒸馏, 脱色、 脱臭的精制过程才能得到天然甘油。[3]
2.1.2合成甘油的生产
从丙烯合成甘油的多种途径可归纳为2 大类, 即氯化和氧化。现在工业上仍在使用丙烯氯化法及丙烯过乙酸氧化法。
( 1) 丙烯醛法
首先, 丙烯气相氧化合成丙烯醛, 然后丙烯醛用异丙醇还原合成合成丙烯醇; 最后丙烯醇过氧化氢羟基化合成甘油。过氧化氢则用异丙醇氧化制得。

该法生产的甘油产品质量较高, 原料消耗低, 但流程长。国内尚无此类生产装置。
(2)丙烯过乙酸氧化法
丙烯与过乙酸作用合成环氧丙烷, 环氧丙烷发生异构化为烯丙醇, 然后在过乙酸氧化下生成环氧丙醇(即缩水甘油), 水解生成甘油。或者烯丙醇在双氧水氧化下直接生成甘油。
过乙酸的生产不需要催化剂, 乙醛与氧气气相氧化, 在常压、 150-160℃、 接触时间24s的条件下, 乙醛转化率11%, 过乙酸选择性83%。
上述后2步反应在特殊结构的反应精馏塔中连续进行。原料烯丙醇和含有过乙酸的乙酸乙酯溶液送人塔后, 塔釜控制在60-70 ℃, 13-20KPa。塔顶蒸出乙酸乙酯溶剂和水, 塔釜得到甘油水溶液。此法选择性和收率均较高, 采用过乙酸为氧化剂, 可不用催化剂, 反应速度较快, 简化了流程。生产每吨甘油消耗烯丙醇1.001 t, 过乙酸1.184t, 副产乙酸0.974t。
此法选择性和收率均较高, 采用过醋酸为氧化剂, 可不用催化剂, 反应速度快, 流程简单, 操作容易, 收率大于98%, 废水、 废气容易处理。日本达依赛尔公司于1970年实现其工业化生产, 但工业化生产时间较短,仅十余年历史, 工艺技术不够成熟。
( 3) 环氧氯丙烷法
丙烯高温氯化成氯丙烯, 氯丙烯再氯化成二氯丙醇。二氯丙醇与石灰乳反应, 得到环氯丙烃。经分离精制后送入水解器, 用10%苛性钠或者碳酸钠水溶液进行水解, 得到水解液中含有大量氯化钠和稀甘油水溶液, 进入多效蒸发器, 浓缩得到80%的甘油, 最后经真空蒸馏、 活性炭脱色、 离子交换树脂处理, 得到精制甘油。

该技术成熟, 单耗低, 产品纯度99%, 收率达98%, 但流程长, 消耗氯与碱较高, 产生氯化钠、 有机氯化物等, 腐蚀严重, 污水量大。现在法国已将此法改为直接水解法, 即不经过环氧氯丙烷步骤。丙烯氯化法生产的甘油占合成甘油产量的80%。[4]
将天然油脂水解法和环氧氯丙烷法原料消耗作一粗略的对比, 不难发现天然油脂水解法的优势, 天然油脂水解法用的原料是肥皂废液, 没有规格要求, 价格便宜”习。就生产甘油总消耗的原料来看, 天然油脂水解法也比环氧氯丙烷的要少。而且, 合成法制甘油的设备投资大, 成本又较高。然而, 随着人们生活习惯的改变, 肥皂的广阔市场逐渐被洗衣粉、 洗涤剂等占领, 肥皂的生产随之萎缩, 肥皂废液回收甘油产量也相应减少。因此, 许多化学工作者又将发酵法生产甘油作为努力的方向。
2.1.3发酵甘油的生产
发酵甘油的生产是利用淀粉类原料( 谷物、 玉米、 红薯等) 或糖蜜原料, 经生物发酵而产生。
中国研究发酵法始于20世纪50年代中期, 从60年代兴起的耐高渗透酵母菌种的研究和应用到70年代处于鼎盛时期, 到1994年至1995年, 开始进入工业生产, 特别是山东、 江苏、 甘肃等地的企业。
为了解决当时有的工厂因发酵周期长、 产甘油率低而停产的情况, 采用回用酵母发酵生产甘油, 以期缩短发酵周期, 提高产甘油率、 减低残糖含量。酿酒的发酵醪液中, 经分析含有质量分数约1.8%-3.5%的甘油成分, 当蒸馏出乙醇后, 所剩的酒糟巾即含行甘油。但所谓的从酒糟中生产甘油, 并不是指这部分甘油, 而是在酒糟中还含有未完全转化为乙醇的淀粉及其中间产物(质量分8%-10%), 利用这部分淀粉经糖化、 催化发酵处理, 生成甘油的方法。以酒糟生产复合甘油工艺原料易得、 成本低, 且绿色环保, 以期代替甘油。
( 1) 亚硫酸盐法
发酵法甘油最早的生产工艺就是亚硫酸盐法。在第一次世界大战期间, 由于需要大量甘油制造炸药, 缺乏油脂的德国率先创造了向酿酒酵母发酵醪中添加亚硫酸盐生产甘油的工艺, 并在德国建厂, 月产发酵甘油近千吨。但该工艺对环境污染严重, 生产成本高, 因此战争结束就停产了。后来人们尽管又作了不少改进, 但都没有达到工业生产的水平。
( 2) 碱性法
碱性法是在碱性条件下用酿酒酵母对蔗糖和葡萄糖等己糖进行厌氧发酵, 生成甘油、 乙醇、 乙酸和CO2。早在 20世纪初就有关于碱性法生产甘油的研究报告, 但由于甘油转化率和提取效率低等原因, 此法没有得到大规模的应用, 仅处于实验室水平。
( 3) 耐高渗压酵母法
耐高渗压酵母法生产甘油的微生物学机理是: 酵母菌受高糖或高盐( 即高渗透压) 的不利环境胁迫而分泌甘油。此法与常规产品发酵过程相似, 基本不造成污染, 甘油含量高、 性能专一, 较亚硫酸盐法有明显的优越性和先进性, 因此自20世纪 50年代中期出现以来受到了高度重视, 成为了投资的热点。中国对耐高渗压酵母法生产甘油的研究水平居世界前列, 已在国际上首先建立了发酵法甘油的工业化生产厂, 生产工艺当前主要有两种。
好氧发酵法
耐高渗压酵母好氧发酵甘油生产工艺是当前普遍采用的甘油生产技术。以该技术为基础, 全国建成和在建的1kt/a规 模 发 酵 甘 油 厂 超 过30家。
好氧发酵法生产甘油工艺的技术难题是产品提取困难。由于酵母从高于 20%的初糖浓度下开始发酵并产生甘油, 当葡萄糖浓度降至2% 左右时, 酵母将减慢消耗葡萄糖, 而将产品甘油作为第二碳源迅速消耗, 继续发酵, 使甘油发酵液中甘油含量下降。好氧发酵法工艺在生产上为避免发酵后期消耗甘油, 被迫在较高的残糖浓度下终止发酵, 转入后提取工序。过高浓度的残糖在蒸馏时焦化结垢, 将甘油包裹其中, 导致甘油提取困难, 产品质量差、 收率低、 成本高。人们相继提出用树脂吸附、 残糖氧化、 溶剂抽提以及载体蒸馏等方法来改进提取工艺, 但受技术和成本的限制, 实际效果都不甚理想, 从而制约了该法的产业化。
二步发酵法
在发酵法的基础上, 根据微生物机理将甘油发酵划分为前期的好氧发酵和后期厌氧发酵两个阶段。第一阶段: 以淀粉为原材料, 采用耐高渗透压酵母菌株, 在含糖25%左右条件下先进行好氧发酵; 第二阶段: 当残糖降至约2%时, 停止供氧, 补充营养, 使耐高渗压酵母菌开始后期的厌氧发酵, 进一步消耗残糖, 生成酒精和少量的甘油, 从而避免了将产物甘油作为碳源消耗, 使发酵液中的甘油浓度达12%以上, 而残糖浓度降低到0.5%左右。研究表明, 发酵液中甘油/残糖浓度比越大, 甘油提取效率越高。以往都是在好氧发酵后, 将甘油从高浓度的残糖中分离出来, 因而提取效率难以提高。二步发酵法优化发酵工艺, 大大提高了发酵液中的甘油/残糖比, 因此甘油的提取效率和产品质量明显提高。[5]
本工艺特点: 符合国家政策支持, 工艺先进, 技术成熟, 操作条件相对温和, 成本低, 原料来源丰富、 设备要求简单且绿色环保等。
2.2生产方案确定
l 以天然油质为原料的油脂皂化水解法的缺点是高温高压, 一次性投资太, 设备造价高, 操作难度大, 生产的甘油量少, 纯度较低。
l 以丙烯为原料的丙烯醛法工艺特点: 甘油产品质量较高, 原料消耗低, 但流程长。国内尚无此类生产装置。
l 生物柴油化工论坛 以丙烯为原料的过乙酸氧化法工艺特点: 工艺简单, 收率高。但工业化生产时间较短,仅十余年历史, 工艺技术不够成熟。
l 以丙烯为原料的丙烯氯化法工艺特点: ①工艺成熟、 操作稳定。②有中间产品氯丙烯(氯丙烯用于生产农药、 树脂、 粘合剂、 涂料等) ,可平衡生产,增强市场销售能力。③副产品多,原材料转化率低,消耗指标高。④设备腐蚀严重,能耗高。⑤污水排放量大。
l 二步发酵法工艺特点: 符合国家政策支持, 工艺先进, 技术成熟, 操作条件相对温和, 成本低, 原料来源丰富、 设备要求简单且绿色环保等。见下表1和表2[6]

综合以上方法分析比较, 根据本课题的设计指导思想, 故选定生产方案为: ”以淀粉为原料的二步发酵法”。

3.生产工艺流程设计及说明
3.1”二步发酵法”生产工艺流程设计
本课题选取用的”二步发酵法”生产方案, 其工艺流程设计见图1所示:
无菌空气
菌 种

液 化

一级种子
二级种子
糖 化

脱色过滤

配 料
连 消

液化酶
糖化酶
好氧发酵

厌氧发酵

絮 凝
过 滤

蒸发浓缩

减压蒸馏

离 交

脱 色

玉米浆等
絮凝剂
酵母泥副产品
乙醛、 乙醇回收
淀粉渣
调 浆

甘油成品

淀 粉

图1 淀粉二步发酵法工艺流程简图
3.2生产工艺流程说明( 应包括原理说明! ! ! )
生产工艺流程说明( 参考CAD图纸Ⅰ: 带控制点的工艺流程图)
( 1) 调浆
淀粉加水调成34%—40%淀粉乳( 质量分数)
( 2) 液化
加入淀粉干重1.2‰耐高温α-淀粉酶( 液化酶) , 将淀粉乳由泵引入蒸汽喷射液化器。淀粉乳加热到一定温度, 淀粉颗粒开始吸水膨胀, 温度继续上升, 颗粒继续膨胀, 可达到原体积的几倍到几十倍, 晶体结构消失, 体积胀大, 互相接触, 变粘稠状液体, 即为糊化。淀粉酶水解淀粉颗粒和水解糊化淀粉的速率比约为1: 0。淀粉酶作用于糊化后的淀粉, 使淀粉糊的粘度急速降低, 流动性增高。适当控制液化( 水解) 的程度, 为下步糖化创造适宜条件, 因为淀粉液化程度与糖化的水解效率密切相关。一般要求液化液DE值在15—20%之间最为适宜。过程PH控制: ɑ-淀粉酶不耐酸, 在pH为5.0—8.0最稳定。温度控制: 糊化开始温度59℃, 糊分完成温度70℃, 液化温度110℃。
( 3) 糖化
将液化后的溶液引入糖化锅, 加入淀粉干重1%的葡萄糖淀粉酶( 糖化酶) , 在不停的搅拌下进行糖化, 糖化终点以测得葡萄糖值( DE) 98%左右为标准。在使用糖化酶过程中, 或加少许脱支酶, 能够减少糖化酶的用量, 提高葡萄糖的最高含量, 缩短糖化时间。过程PH控制: 最适pH为4.0-4.5。温度控制: 55℃—60℃。[7]
( 4) 脱色过滤
糖化结束后用板框压滤机进行过滤, 同时加入硅藻土作为助滤剂, 来除去糖化液中的不溶性杂质。滤液加活性炭脱色。得葡萄糖清液和淀粉渣, 所得淀粉渣可用作饲料。活性炭添加量约为葡萄糖重的0.5%, 硅藻土加入量约为干物质的0.1%。
( 5) 配料
配置好料液。尿素0.2%, 葡萄糖浓度25%左右, 含磷总量约为80微克/毫升的玉米浆0.15%。
( 6) 连消
采用板式换热器对配料好的培养基进行连续灭菌。培养基( 35-40℃) 进入板式换热器加热到100℃, 于维持管中( 120℃) 维持5-7分钟后再进入冷却管, 使其冷却至接种温度并直接进入已事先灭菌( 空罐灭菌) 过的发酵罐内。
( 7) 无菌空气
采用两级冷却、 加热除菌的方式制备。流程为: 高空采风→ 粗滤器→ 空压机→ 贮罐→冷却器→旋风分离器　→ 冷却器→丝网分离器　→加热器→ 过滤器→ 无菌空气
( 8) 菌液培育
一级种子
于三角瓶摇瓶中进行培养。培养的目的在于大量繁殖活力强的菌体, 培养基组成以少含糖分, 多含有机氮为主, 培养条件从有利于长菌考虑。
二级种子
于种子罐中进行培养。为了获得发酵所需要的足够数量的菌体, 在一级种子培养的基础上进而扩大到种子罐的二级种子培养。种子罐容积大小取决于发酵罐大小和种量比例。
( 9) 发酵
好氧发酵
将连消后的培养基和经扩大培养的菌种引入经严格灭菌的发酵罐。通入无菌空气, 进行好氧发酵。控制温度: 30—40℃ pH: 4.0-5.0。
厌氧发酵
当残糖降至约2%时, 停止供氧, 补充营养, 使耐高渗压酵母菌开始后期的厌氧发酵。当残糖浓度降低到0.5%左右, 即可终止发酵。整个发酵周期为72小时。
( 10) 絮凝
发酵结束后, 发酵液中除含有粒径细小的酵母细胞和细胞碎片外, 还含有蛋白质和其它胶状物。这些杂质如不被分离, 将会影响后续的甘油提取。用传统过滤除菌法, 效率低、 劳动强度大, 有时甚至出现过滤分离形成的粘胶状滤饼堵塞滤布, 使过滤操作无法顺利进行。用离心法除菌, 尽管能够取得预期的除菌效果, 但设备投资大、 能耗高, 导致工厂生产成本过高。絮凝技术具有促使固形颗粒结合成团, 容易沉降、 过滤、 离心、 提高固液分离速度和液体澄清度等优点。本设计采用壳聚糖作为发酵液的絮凝剂。壳聚糖是一种阳离子聚电解质,对固体悬浮物有很好的凝聚作用,壳聚糖本身无毒性,因此可作为絮凝剂应用。絮凝条件: 酸性。絮凝剂浓度: 200mg/L。[8]
( 11) 过滤
对经絮凝预处理的发酵液进行过滤, 得滤液和酵母泥副产品。酵母泥副产品经干燥后可用作饲料。
( 12) 蒸发浓缩
对滤液进行蒸发浓缩处理。一般采用减压浓缩, 真空度为73.3kPa-79.98kPa, 蒸发温度为65℃-70℃, 一般浓缩至45—50%左右。
( 13) 减压蒸馏
对甘油进行提取。将浓缩的甘油原液再经减压蒸馏处理便可得成品甘油。在蒸馏过程中, 首先根据沸点的不同, 分别对乙醛、 乙醇进行分馏处理并回收。收率分别为被蒸馏液的1%。由于甘油与水的亲和性能阻止乙醇和水进行共沸。因此, 能够从混合物中蒸馏出无水乙醇。蒸馏压力一般为81.7kPa, 温度为130℃-158℃, 最高不得高于170℃.在蒸馏过程中, 要特别注意温度的控制。温度过高不但影响成品的质量, 更为重要的是造成分解和聚合甘油的产生, 从而降低了产率。经过此工序, 可得含量>96%的甘油。
( 14) 离交
甘油的纯化。稀甘油溶液粗品经离子交换法可制得纯度较高的甘油。离子交换法比蒸馏法精制甘油可节约大量能源、 降低成本; 较蒸馏法减少甘油损失40%; 较蒸馏法制得的甘油质量高, 因为免除了高温对甘油易发生分解和聚合反应生成新的杂质的影响。离子交换法所使用的树脂为苯乙烯与二乙烯苯共聚物再引入磺酸基团的强酸型( 011×7型) 阳离子交换树脂和强碱型( 201×7型) 阴离子交换树脂。其使用方法与离子交换水处理方法相同。经离子交换树脂处理后的甘油可除去Ca2+、 Mg2+、 Pb+、 Fe2+、 SO42-、 Cl-、 SiO32+和部分有机色素等杂质。
( 15) 脱色
脱色是使甘油的灰分和色泽达到标准。于脱色缸内, 将离交后甘油加热至80—90℃左右, 加入粉状活性炭( 食用级) , 其用量约为甘油重的0.5%, 搅拌1h—2h, 使活性炭尽可能吸附甘油中的杂质和色素。也可同时加入少量的硅藻土作为助滤剂, 过滤, 除去活性炭, 即得精制甘油, 收率为甘油发酵液的7%—10%。用过的活性炭用清水洗涤, 含甘油2%以下, 进行蒸发回收, 洗涤后的活性炭经700℃—800℃的活化后再用。[9]
( 16) 甘油成品
执行国家《GB13206-91》标准, 质量规格为一等品的精甘油。
注: 防杂菌污染措施
①菌种培养过程中要对培养基灭菌采用121℃/15min, 留意排空气和维持压力的时间, 如果三角瓶培养液不新鲜, 杂菌较多, 灭菌时间要延长到20min。
②超净接种台、 接种室、 培养箱、 摇床室等要定期用紫外灯或甲醛熏蒸进行灭菌。接种时, 要穿洁净工作服、 带工作帽和口罩, 严格按无菌操作规范程序进行。
③在整个发酵过程中, 菌种培养是基础, 摇瓶发酵液中只要有极少数杂菌, 也会导致种子罐培养菌种的失败。因此, 在三角瓶取样镜检时, 除小心仔细外, 要多取几个样品进行检验, 做到万无一失。
④发酵液料液采用薄板换热器进行连续灭菌。
⑤空气系统和发酵系统的彻底灭菌是保证发酵成功的先决条件之一。发酵前, 采用对整系统进行一次性灭菌蒸汽121℃/h。全面考虑阀门、 死角和弯头等部位, 保证灭菌的效果。
⑥接种时除了保证菌种绝对无杂菌污染外, 在接种口的外管道被取下棉纱套后, 一定要用酒精燃烧10—15min, 保证绝对无菌时才能接种。
⑦甘油发酵过程中, 发酵罐一般维持0.3—0.5MPa的正压, 这样能够防止外界杂菌对发酵系统的侵入。停电时, 20—30min后整个空气供应系统和发酵系统的压力降到零, 加之发酵罐温度( 31℃) 和空气压缩机系统温度较高, 发酵罐系统的轴封和阀门等有一定的空隙, 停电时产生负压, 外界空气侵入发酵系统, 使发酵失败。因此, 本设计甘油厂采用双电源供电, 并自备应急发电机, 以保证发酵的顺利进行。[10]
本工艺流程特点:
原料简单, 工艺流程短, 物料循环使用, 生产效率高。

4.工艺计算
4.1物料衡算( 采用倒推法)
4.1.1原辅物料的计算
根据设计任务, 甘油的年生产能力为5000吨/年( 质量分数为98%甘油) , 折算为100%( 质量分数, 以下同) 则甘油年生产能力为4900吨/年。
全年365天, 除去大、 中修理及放假等共45天。则
年工作日 = 365－45 =320天
每昼夜生产能力为:
4900÷320 =15.3125 吨/天( 100%甘油)
本发酵属于间歇生产过程, 发酵周期为3天, 加上前后处理时间1天, 每个生产过程周期平均为4天。即全年生产320÷4=80个周期。每个生产周期生产能力为:
15.3125×4 =61.25吨/周期( 100%甘油)
每昼夜24小时连续生产, 则每小时生产能力为:
15.3125×1000 ÷24=638kg/h( 100%甘油)
以此作为物料衡算的基准。
(1)脱色过滤
经活性炭脱色过滤后, 用过的活性炭用清水洗涤, 含甘油2%以下( 取1.5%) 。根据资料, 活性炭加入量约为甘油重的0.5%, 助滤剂硅藻土加入量为甘油重的1%。
成品精甘油( 98%甘油) 输出量=638÷0.98=651kg/h
精甘油( 98%甘油) 输入量=651÷0.985=660.9kg/h
过滤掉甘油量( 98%甘油) =660.9-651=9.9kg/h ( 经蒸发可回收)
活性炭加入量: 660.9×0.98×0.005=3.24kg/h
硅藻土加入量: 660.9×0.98×0.001=0.65kg/h
(2)离子交换柱
经过减压蒸馏后的96%甘油经离子交换树脂柱精制成98%的甘油。则,
精甘油( 98%甘油) 输出量: 660.9kg/h
粗甘油( 96%甘油) 进入量: (660.9×0.98) ÷0.96=674.7kg/h
其中Ca2+、 Mg2+、 Pb+、 Fe2+、 SO42-、 Cl-、 SiO32+和部分有机色素等杂质为:
输出量: 674.7-660.9=13.8kg/h
(3)减压蒸馏塔
经减压浓缩至45—50%左右的甘油( 取中间值48%) 经减压蒸馏至96%的甘油。蒸馏收率为90%, 则:
粗甘油( 96%甘油) 输出量: 674.7kg/h
稀甘油( 48%甘油) 输入量: ( 674.7×0.96÷0.48) ÷0.9=1499.3kg/h
由于分别对乙醛、 乙醇进行分馏处理并回收, 收率分别为被蒸馏液的1%。则:
乙醇输出量=1499.3×1%=15.0kg/h
乙醛输出量=1499.3×1%=15.0kg/h
蒸馏出甘油水=1499.3-15.0-15.0-674.7=794.6kg/h
(4)减压浓缩塔
根据实际经验, 甘油发酵液经絮凝过滤后, 可得到17.5%左右的甘油( 取17.5%) 。经减压浓缩至48%甘油。
稀甘油( 48%甘油) 输出量: 1499.3kg/h
过滤后甘油液( 17.5%甘油) 输入量: 1499.3×0.48÷0.175=4112.4kg/h
浓缩出水的量为: 4112.4-1499.3=2613.1kg /h
(5)絮凝过滤
发酵液甘油含量为12.8%, 经絮凝后过滤, 过滤后可得到17.5%左右的甘油。过滤损失甘油1.5%。参考文献知, 絮凝剂加入浓度为200mg/L, 约为发酵液的0.02%。
过滤后甘油液( 17.5%甘油) 输出量: 4112.4kg/h
发酵液( 含12.8%甘油) 输入量: 4112.4×0.175÷0.128÷0.985=5708kg/h
过滤损失掉甘油量( 含12.8%甘油) : 5708×0.015=85.6kg/h
过滤后酵母泥( 含残余糖分、 酵母和其它固形物等) 输出量:
5708-4112.4-85.6=1510kg/h
絮凝剂加入量: 5708×0.0002=1.2kg/h
( 6) 发酵罐
根据生产经验, 发酵用耐高渗压酵母菌( 采用ICM-15酵母菌) 接种量为物料总量的0.5%。葡萄糖起始发酵浓度为25%, 发酵完成后残糖浓度为0.5%。糖到甘油转化率一般为45%左右( 取45%) , 理论转化率51%。
发酵液( 含12.8%甘油) 输出量: 5708kg/h
葡萄糖液( 25%) 输入量: 5708×0.128÷0.45÷0.25=6494.4kg/h
ICM-15酵母菌接种量为: 6494.4×0.005=32.5kg/h
( 7) 配料罐
脱色过滤后的葡萄糖溶液( 约为38.2%) 进入配料罐配制为浓度为25%左