生物工程设备课程设计

年产30000吨柠檬酸发酵设计

学 院： 化工与材料学院 专 业： 生物工程 姓 名： 学 号： 指导老师： 职 称： 高级工程师

中国·珠海 二○一五年十一月

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诚信承诺书

本人郑重承诺：我所呈交的课程设计《年产30000吨柠檬酸发酵设计 》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。

承诺人签名： 日期： 年 月 日

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北京理工大学珠海学院 12级生化工程设备课程设计

任务书

题 目：年产30000吨柠檬酸发酵设计

专业学院： 化工与材料学院 专 业： 生物工程 学生姓名： 指导教师：

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一、 主要研究内容：

1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。

2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定。 3、动力消耗、设备结构的工艺设计。

二、 主要任务及目标：

1、工艺设计和计算

根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。主要包括： （1）工艺设计

①设备结构及主要尺寸的确定（D，H，HL，V，VL，Di等） ②通风量的计算

③搅拌功率计算及电机选择 ④传热面积及冷却水用量的计算 （2）设备设计

①壁厚设计（包括筒体、封头和夹套） ②搅拌器及搅拌轴的设计

③局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等） ④冷却装置的设计(包括冷却面积、列管规格、总长及布置等) 2、设计说明书的编制

设计说明书应包括设计任务书，目录、前言、设计方案论述，工艺设计和计算，设计结果汇总、符号说明，设计结果的自我总结评价和参考资料等。 3、绘制设备图一张

设备图绘制，应标明设备的主要结构与尺寸。

指导教师签字： 年 月 日 工作小组组长签字： 年 月 日

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年产30000吨柠檬酸发酵设计

摘 要

本设计采用薯干原料发酵，只需将薯干磨成粉，加水调浆，直接加入少量α－淀粉酶液化后灭菌、冷却即可接种发酵。制备柠檬酸一般采用晒干的薯干作为原料。其中薯干含水13%、淀粉75%、蛋白质6%左右。薯干原料中的蛋白质可作为氮源供菌体生长。薯干原料中含有铁、镁、钾、钙等的无机盐，选用的黑曲霉C0527对这些成分不敏感,故不必对原料做这方面的预处理。本设计采用液体深层好氧发酵、钙盐法提取技术生产柠檬酸。这两种方法都是国内比较流行的生产方法，有着大量的实际经验，易于操作，风险小。

本设计对目前发酵生产柠檬酸的状况及其主要的生产技术做了阐述，并对发酵生产柠檬酸的工艺技术方法、工艺流程及设计技术说明给出了明确设计。因为知识有限，在工艺计算方面，只做了物料衡算和发酵罐选型的有关计算。确定了柠檬酸生产的主要工艺设备选型以及全厂及车间布置。

本设计还包括发酵罐，全厂平面图，车间平面布置图，工艺流程图。 关键词：柠檬酸发酵 设备设计与选型

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目 录

摘 要 ......................................................................................................................................... I 第一章 引言 ............................................................................................................................ 1

1.1柠檬酸简介 ................................................................................................................. 1 1.2柠檬酸发酵生产的现状及生产技术 ......................................................................... 1

1.2.1柠檬酸发酵生产现状 ..................................................................................... 1 1.2.2主要的生产技术 ............................................................................................. 2

第二章 工艺流程 .................................................................................................................... 3

2.1生产方法 ..................................................................................................................... 3 2.2工艺流程 ..................................................................................................................... 3 2.3操作工艺 ..................................................................................................................... 4

2.3.1原料的处理 ..................................................................................................... 4 2.3.2无菌空气的处理 ............................................................................................. 5 2.3.3种子的培养 ..................................................................................................... 5 2.3.4发酵工序及醪液处理工序 ............................................................................. 6 2.3.5提取工段 ......................................................................................................... 7 2.3.6 精制工段 ........................................................................................................ 7 2.3.7污水处理工序 ................................................................................................. 8

第三章 工艺计算 .................................................................................................................. 10

3.1物料衡算 ................................................................................................................... 10

3.1.1工艺技术指标及基础数据 ........................................................................... 10 3.1.2原料消耗计算（基准：一吨成品柠檬酸） ............................................... 10 3.1.3发酵醪量的计算 ........................................................................................... 11 3.1.4接种量 ........................................................................................................... 11 3.1.5接种醪量的计算 ........................................................................................... 11 3.1.6 成品柠檬酸 .................................................................................................. 11 3.1.7淀粉质原料年产3万吨一水柠檬酸厂总物料衡算 ................................... 12

第四章 设备的设计及选型 .................................................................................................. 13

4.1发酵罐的选型 ........................................................................................................... 13

4.1.1发酵罐容积和台数的确定 ........................................................................... 13 4.2柠檬酸生产的主要设备表 ....................................................................................... 14 第五章

车间布置 ............................................................................................................. 16

总 结 ...................................................................................................................................... 17 参考文献 .................................................................................................................................. 18 结 语 ...................................................................................................................................... 19

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第一章 引言

1.1柠檬酸简介

柠檬酸是一种重要的有机酸，又名枸橼酸，无色晶体，常含一分子结晶水，无臭，有很强的酸味，易溶于水。其钙盐在冷水中比热水中易溶解，此性质常用来鉴定和分离柠檬酸。天然柠檬酸在自然界中分布很广，天然的柠檬酸存在于植物如柠檬、柑橘、菠萝等果实和动物的骨骼、肌肉、血液中。人工合成的柠檬酸是用砂糖、糖蜜、淀粉、葡萄等含糖物质发酵而制得的，可分为无水和水合物两种。纯品柠檬酸为无色透明结晶或白色粉末，无臭，有一种诱人的酸味。

很多种水果和蔬菜，尤其是柑橘属的水果中都含有较多的柠檬酸，特别是柠檬和青柠——它们含有大量柠檬酸，在干燥之后，含量可达8%（在果汁中的含量大约为47 g/L）。在柑橘属水果中，柠檬酸的含量介于橙和葡萄的0.005 mol/L和柠檬和青柠的0.30 mol/L之间。这个含量随着不同的栽培种和植物的生长情况而有所变化。

1.2柠檬酸发酵生产的现状及生产技术 1.2.1柠檬酸发酵生产现状

1917年，美国学者Currie发现了一株产柠檬酸的黑曲霉，并通过美国的Pfizer(辉瑞)公司于1923年采用浅盘发酵实现了工业化生产，原料主要是糖蜜。1952年，美国的Miles公司首先成功地采用液体深层发酵工业化规模生产柠檬酸。由于这种新工艺比传统的浅盘工艺有更多的优越性，因而推动了世界柠檬酸工业的迅速发展，深层发酵法也成为柠檬酸发酵生产的主要工艺。到2000年，全球柠檬酸的年生产能力在90万吨以上，并一直保持比较平稳的发展速度[1]。

我国柠檬酸发酵工业起步较晚，1969年上海酵母厂成功利用薯干粉深层发酵柠檬酸。在20世纪80年代，由于出口的需要，我国的柠檬酸生产发展速度，已成为世界上柠檬酸生产量最大的国家。全国有近90家柠檬酸生产企业，年生产能力达近50万吨，占世界总量的40%多。2002年全国产量30多万吨，2003年达40余万吨。我国开发的以

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白薯干为原料的产酸菌种具有其独到的特点，加之我国的许多地区对生产过程中排放的废水要求较低，多数生产企业对生产过程中产生的废水没能进行比较有效的处理，因此，我国柠檬酸生产成本较低，在国际市场上具有较强的竞争力。近年来我国柠檬酸的年出口量一直保持在10万吨以上[1]。

随着生物技术的进步，柠檬酸工业有了突飞猛进的发展，全世界柠檬酸产量已达0.4Mt。在柠檬酸发酵技术领域，由于高产菌株的应用和新技术的不断开拓，柠檬酸发酵和提取收率都有明显提高，每生产1t柠檬酸分别消耗2.5～2.8t糖蜜，2.2～2.3t薯干粉或1.2～1.3t蔗糖。人们正在大力开发固定化细胞循环生物反应器发酵技术。

1.2.2主要的生产技术

柠檬酸的发酵工艺可分为表面发酵、固体发酵和深层发酵三种。表面发酵是利用生长在液体培养基表面的微生物的代谢作用，将可发酵微生物转化成柠檬酸的。这种技术出现最早，至今工业上仍有应用，主要用于糖蜜原料的发酵。固体发酵是将发酵原料及菌体吸附在疏松的固体载体上发酵生产柠檬酸的过程。深层发酵的特点是微生物菌体均匀的分布在液相中，利用溶解氧，发酵时不产生分生孢子，全部菌体细胞都参与合成柠檬酸代谢。由于这种工艺具有明显的有点，所以逐渐在柠檬酸工业上占据主导地位[1]。

图1-1 我国深层发酵柠檬酸基本工艺流程简图

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第二章 工艺流程

2.1生产方法

本次生产工艺设计以薯干为原料，采用直接粉碎、调浆、液化，进行好气液体深层发酵，钙盐法提取，最后结晶、干燥得到柠檬酸。

2.2工艺流程

本次生产工艺的基本过程是：在接收糖浆后，根据糖浆组成作适当的处理或配制，配成发酵原料，进行连续杀菌并冷却后，进入发酵罐，加入菌种和净化压缩空气后进行发酵；发酵液经升温、过滤处理后，进入中和罐，用CaCO3中和处理；再经过过滤洗涤，得到柠檬酸钙固体，送入酸解罐，再添加H2SO4酸解，并加入活性炭进行脱色；然后，通过带式过滤机过滤、酸解过滤，除去CaSO4及废炭；酸解过滤液经离子交换处理后，进行蒸发、浓缩，再进行结晶；结晶后，用离心机进行固液分离，对得到的湿柠檬酸晶体进行干燥与筛选，最后得到成品的柠檬酸[2]。

淀粉糖 配料 筛选 干燥 空气 净化

菌种 种子 消泡剂 废渣处理 钙盐 废渣处理 酸液 活性炭 酸解 酸解液 灭菌 发酵 湿柠檬酸纯水次品回 分离 过滤 蒸发结品 中和 过滤 离子交换处

理 图2-1 柠檬酸生产工艺流程示意图

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2.3操作工艺 2.3.1原料的处理

根据发酵的要求，对薯干原料，采用直接粉碎、磨粉、调浆、液化、连续灭菌的处理方法；以薯干原料生产时，根据我国薯干粗料的特征，发酵工艺要求将薯干从平仓运至备料车间，经过磁选装置除去原料中含铁杂质，以保护设备。然后进入粗粉碎机，将薯干先轧成1—3cm 大小的小块，以提高磨粉机的效率，便于物料的输送。粗碎后，由斗式提升机提送至中间粉仓，由粉仓落入磨粉机粉碎，粉碎后进入粉仓再经计量送至配料罐。配料罐内加水调浆，同时加入淀粉酶升温液化。液化完成后送至连消装置连续灭菌，再送至发酵车间[3]。

图2-1 薯干原料液化工艺流程

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2.3.2无菌空气的处理

目的：提高压缩空气的洁净度；去除压缩后空气中的油水。

基本流程：吸入空气→前过滤→空气压缩机→压缩空气冷却至适当温度→分离去除油和水→加热至实罐温度，RH50-60%→空气过滤器→无菌空气。

要保持过滤器有比较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。则要有一系列冷却、分离、加热的设备来保证空气的相对湿度在50%～60%的条件下过滤，气流速度可由操作来控制[4]。

1-高效前置过滤器 2-压缩机 3-贮罐 4-冷却器 5-丝网分离器 6-加热器 7-过滤器

图2-2 高效过滤空气除菌流程

2.3.3种子的培养

工艺流程：黑曲霉菌种的扩大培养一般要经过三个阶段，相应但阶段依次称为一级、二级和三级种子培养。扩大培养但工艺流程和各级的培养方法因地而异，按照最终成品但形式可以区分为麸曲生产和孢子生产，前者时用固体醅培养，类似于我国白酒生产中但制曲，后者时液体表面培养或固体表面培养，经过收集生产出纯粹但黑曲霉孢子。

麸曲生产工艺流程：麸曲生产方法在我国较为普遍，它的优点时操作简便，成本低，但孢子不易收集。它的第一级为斜面培养，第二级为茄子瓶培养（也有用大量斜面培养的），第三级为麸曲培养，麸曲中的孢子不单独收集，全部曲用于发酵罐但接种。整个过程可以简单表示如下：

一级 二级 三级

原种——→斜面——→茄子瓶——→麸曲——→种子罐

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[5]

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孢子生产工艺流程：苏联等国家采用但接种物多是干孢子。它的第一级也是斜面培养，第二级时三角瓶液体表面培养，第三级也是液体表面培养，容器采用体积较大但铝盆等。最后将表面培养但菌膜干燥，干孢子单独收集起来备用。整个过程可简单表示如下：

一级 二级 三级

原种——→斜面——→三角瓶——→铝瓶——→收集

2.3.4发酵工序及醪液处理工序

由备料车间提供的经连续灭菌并冷却的料液，通过灭菌管道泵入已空消灭菌待料的发酵罐(或种子罐)，通过差压法或零磅火焰倒种法，接入已培养好的柠檬酸菌种，在通风、搅拌情况下，进行发酵或培养。在发酵培养过程中，对罐温、罐压、通风量、搅拌转速等实行连续记录监控，并定期检测原糖消耗情况、菌种生长状态、pH值、泡沫等变化情况。根据发酵的工艺特性要求，及时调整控制发酵工艺过程，以获得最佳工艺产酸率或种罐菌种活力，一般经66小时(种罐约25小时) 培养，大罐在残糖指标、产酸情况达到放罐条件即可放罐；种罐菌种活力及菌群数量达标后，即可移种。在发酵或培种过程的定期检测中，若发现异常情况，如染菌等，应针对具体情况及时处理，对中、前期染菌，可加大种量形成主菌群生长优势，或及时罐实消，补入适当营养源重新接种发酵；后期时可加强监控，提前放罐；对倒罐等应予灭菌排放处理，并认真查找原因，进一步强化灭菌操作中的各个环节[6]。

柠檬酸发酵完成后，应即时进行热处理，以灭活发酵，絮凝蛋白、提高收率，为提高设备利用率，增设醪液贮罐，通过热交换器，及时将醪液加热至80℃后进入醪液热贮罐，再经泵压入过滤机，除掉固形物及菌体残渣，将清醪液泵入下道工序[6]。

图2-3 发酵及醪液处理工艺流程

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2.3.5提取工段

钙盐法：由压滤工段送来的柠檬酸清醪液泵入中和罐，在80℃下进行中和。碳酸钙经密闭的输送机送入车间，经无级调速下料螺旋分散投入中和罐，以防止局部浓度过高，使中和沉淀反应均匀，经终点检测合格后，将柠檬酸钙悬浮液排入带式过滤机中，将固体柠檬酸钙从悬浮液中分离出来，为满足玉米原料及薯干原料生产工艺的双重要求，中和带式过滤机用特定的加长、强洗型，生产原料操作灵活，以确保粗原料生产时的中和洗糖要求及成品的指标控制，要求并使中和废水经分流至污水处理站。分离后的柠檬酸钙经卸料螺旋送至酸解桶中，由热水或酸解液调浆，浓硫酸由酸碱站泵入，再计量到酸碱桶中与柠檬酸钙在80℃下生成硫酸钙与柠檬酸的悬浊液送入酸解带式过滤机进行过滤，清洗液即稀酸解液收集用于调浆，硫酸钙运至渣场综合利用，柠檬酸酸解送精制工段[3]。

图2-4 粗提的工艺流程

2.3.6 精制工段

离子交换与脱色 柠檬酸液从暂贮灌中泵送离交纯化工序，经由阳离于交换塔，阴离子交换塔和活性炭脱色塔，离交脱色除去色泽及影响成品质量加速设备腐蚀的阴阳离子，阴阳树脂需经过酸洗、碱洗再生处理，离交后的柠檬酸精制母液送入蒸发工序[3]。

蒸发与结晶 在提纯溶液进入蒸发部分前，通过精过滤器除去清液中的微小树脂颗粒。精滤后的溶液经热交换器预热后送至双效真空浓缩器经浓缩至特定浓度后，转入真空结晶器，或者低温结晶器进行结晶。以确定产品(一水产品或无水产品)，再经分离将柠檬酸晶粒从液相中分离出来，液相(母液)在分离后分别放至各级母液贮罐，根据其杂质离交浓度情况，送往重新蒸发式回流到前工序处理提纯，晶体送往干燥机[3]。

干燥与包装 从离心机分离出来的湿柠檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根据生产品种控制干燥空气、温度及冷却空气量进行干燥，排空经湿式旋风分离器处理排放，干燥

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后的柠檬酸晶粒通过传送装置运到筛选机，不合格颗粒被筛分出来，溶解后返回到结晶系统，柠檬酸成品进行定量、包装，存放[3] 。

图2-5 精制的工艺流程

2.3.7污水处理工序

生产工艺废水通过格栅池进入污水处理段调节池，调节水质水量，气浮池在絮凝剂和物理作用下，去除废水中的悬浮物和胶体物质等污染物，降低后续处理单元的工作负荷。进入二相厌氧反应器之前用清水将污水进行1:1的稀释降低进入反应器的污水负荷，然后经泵定量提升进入二相厌氧反应器，在厌氧微生物的作用下，将废水中的各种复杂有机物分解转化成小分子有机物,甲烷和二氧化碳等物质，剩余污泥进入污泥沉淀池。消化后的废水再进入延时曝气池，与污泥中的好氧微生物的进一步作用，去除剩余的有机物，部分随水流带出的悬浮物在斜管沉淀池中得以沉淀出来后废水达标排放。厌氧接触池、延时曝气池及沉淀池的剩余污泥通过污泥泵进入污泥储存池，加入絮凝剂后，经过板框压滤机脱水处理后运走。滤液回流到调节池进行循环处理[7]。整个工艺具体分为如下三个阶段：

（1）废水物理处理阶段。废水流经格栅池、调节池、气浮池有效去除不溶性悬浮物，减轻后续生化处理的负荷。

（2）废水生化处理阶段。经物理处理后的废水，先流入二相厌氧反应器中，进行厌氧反应处理。水解酸化阶段作为不完全厌氧过程 ,并没有直接降低废水中CODCr及BOD5,而是使废水中结构复杂的大分子有机物降解转变成结构简单的小分子有机物 ,使它们易于生物降解。同进水相比 ,水解酸化阶段其CODcr并没有降低 ,而是pH值降低 ,

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挥发有机酸升高，BOD5/CODCr值提高。因此，二相厌氧工艺的引入 ,使废水中难降解的污染物变为易降解的污染物 ,改变了废水的可生化性 ,为后续好氧生物降解提供了保证。在这一过程中，采用了自行设计的二相厌氧器。在设计中利用了水力自流作用，使废水进出反应器时，无需外加动力。采用二相厌氧—好氧组合工艺处理高浓度柠檬酸有机废水，要保证最后出水水质，仍是好氧阶段起决定性的作用。在该项工程中，好氧处理采用了延时曝气法，选用了供氧能力大、氧利用效率高的导流式机械曝气机进行阶段曝气，曝气机的开启与停止，均是根据废水中的DO浓度自动实行在线控制，取得良好效果。通过现场测定 ,曝气池内残余溶解氧在 1.5～ 2.5mg/l之间。经二沉后的废水达标排放。

（3）二次沉淀阶段。向好氧反应器处理排出的废水中投入微量絮凝剂，使废水中的悬浮物在絮凝剂的作用下，经斜管填料进行最后沉淀。

在工艺流程确定的过程中，主要考虑以下几条原则：（1）柠檬酸生产废水含有机质多，浓度，同时本工程中废水排放要求较高。（2）柠檬酸生产废水可生化性较好，易于生物降解。（3）本工程要求低运行成本。根据上述原则，确定采用图1所示的处理工艺流程[8]。

图2-6 柠檬酸废水处理工艺流程图

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第三章 工艺计算

3.1物料衡算

3.1.1工艺技术指标及基础数据

（1）生产规模：30000t/a99.5%一水柠檬酸折合成27487.63t/a99.5%无水柠檬酸； （2）生产方法：外加耐高温α-淀粉酶液化，深层液体发酵，钙盐干法提取； （3）生产天数：每年300天；

（4）食用99.5%无水柠檬酸日产量：27487.63÷300=91.63t/d，取整数为92t/d； （5）食用99.5%无水柠檬酸年产量：92×300=27600t/a；

（6）产品质量：国际食用柠檬酸99.5%（质量分数），实际产率98%，副产品约占2%；

（7）薯干粉成分：含淀粉量 75%，水分13%； （8）α-淀粉酶用量：5U/g原料；酶活力为3000u/g。

（9）操作参数：淀粉糖转化率98.5%，糖酸转化率95%，提取阶段分离收率95%，精制阶段收率98%，倒罐率1%则其得率为1?1%?99%；产酸率（即糖发酵液转化率）13% 。

（10）无水氯化钙用量 ，0.1% 。 （11）碳酸钠用量 ，0.15% 。

3.1.2原料消耗计算（基准：一吨成品柠檬酸）

年产3万吨一水柠檬酸，折合无水柠檬酸，按1995年5月，中国发酵工业协会柠檬酸分会制定的“柠檬酸行业统计办法” [9]

无水柠檬酸需要量为：30000÷1.0914=27487.63t/a （1）生产无水柠檬酸的总化学反应式：

(C6H10O5)n?nH2O?3n/2O2?nC6H8O7?2nH2O

192

X 1000

（2）生产1000kg 99.5%无水柠檬酸所需的理论淀粉消耗量： X=1000×（162÷192）×99.5%=839.53 kg

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（3）生产1000kg 99.5%无水柠檬酸所需实际淀粉消耗量： X 实际= X÷(98.5%×95%×95%×98%×99%)=973.4kg

（4）生产1000kg 99.5%无水柠檬酸所需实际薯干粉原料消耗量： 973.4÷75%=1297.87kg

（5）α-淀粉酶的消耗量：应用酶活力为3000u/g的α-淀粉酶使淀粉液化。α-淀粉酶用量按5u/g原料计算有： 1297.87×103×5÷3000=2.16kg

（6）无水氯化钙用量 ，0.1% 。 有： 1297.87×0.1%=1.30kg （7）碳酸钠用量 ，0.15% 。 有：1297.87×0.15%=1.95kg

3.1.3发酵醪量的计算

根据发酵液转化率为13%：

1000×99.5%÷（95%×98%×13%）=8221.1kg

3.1.4接种量

接种量为发酵醪的10%，设接种量为x，则： x/(发酵醪量-x)×100%=10% 即：8221.1×10%÷110%=747.37 kg

3.1.5接种醪量的计算

成熟的蒸煮醪量计算：蒸煮醪量=发酵醪量-接种量 即：8221.1-747.37=7473.73kg

3.1.6 成品柠檬酸

日产柠檬酸量为：27487.63÷300=91.63 t/d 即结晶液中柠檬酸的含量为：91.63 t/d 需精制液中柠檬酸含量为：91.63÷98%=93.5t/d

需分离液中柠檬酸的含量为：91.63÷（95%×98%）=98.42t/d

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3.1.7淀粉质原料年产3万吨一水柠檬酸厂总物料衡算

即对生产27487.63t/a99.5%无水柠檬酸的薯干原料柠檬酸厂进行计算。 （1）柠檬酸成品

日产食用99.5% 无水柠檬酸量为91.63t，取整数为92t 日产副产品为：92×2%÷98%=1.88t 则日产总量为：92+1.88=93.88t

实际年产量为：食用柠檬酸量为：92×300=27600t/a 副产物为：1.88×300=564 t/a 总产量为：27600+564=28164 t/a （2）淀粉用量

日耗量：973.4×10－3×93.88=91.38t 年耗量：91.38×300=27414t （3）主要原料薯干用量

日耗量：1297.87×10－3×93.88=121.84t 年耗量：121.84×300=36552t

（4）根据以上计算，将物料衡算结果列于表3-1。

表１ 30000t/a料柠檬酸厂物料衡算表

物料名称

每吨产品物料消耗

量 （kg）

食用柠檬酸 副产品 薯干原料 淀粉 α-淀粉酶 发酵醪 接种量 成熟蒸煮醪 无水氯化钙 碳酸钠

980 20 1297.87 973.4 2.16 8221.1 747.37 7473.73 1.3 1.95

92 1.88 121.84 91.38 0.20 771.80 70.16 701.63 0.12 0.18

27600 564 36552 27414 60 231540 21048 210489 36 54

年产3万吨物料消耗量 每天（t/d） 每年(t/a)

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第四章 设备的设计及选型

4.1发酵罐的选型

当前，我国柠檬酸发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐，即通常所说的通用罐。选用这种发酵罐的原因主要是：历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。

此外在柠檬酸发酵生产设备方面，大型气升式发酵罐仍处于试用攻关阶段。从试用情况看，由于气升式罐在生产周期、产酸率、供氧周期波动的影响、通风量增加的综合能耗、生产的稳定性及可重复性等因素，所以多数厂家目前仍延用机械搅拌通风式发酵罐。因而，就本项目而言，按技术成熟，可靠、稳妥的原则，结合柠檬酸工程中的设计经验，通过对罐内空气分配器进行适当改造，成为新型的通风式机械搅拌型发酵罐。其搅拌功率，比相同容积的通用发酵罐降低约10%[10 ,11]。

从生物发酵行业醪液处理供料的均衡性考虑，发酵放罐间隔时间不宜大于8小时，在技术可靠的前提下，大罐放料容积不大于400 m3。

结合目前本行业发酵技术的现状，目前国内行业成熟技术水平、加工技术水平，企业可能达到的发酵控制管理水平等，从生产的可靠性、可实施性等方面考虑，本设计拟采用放罐容积约200 m3 的新型通风发酵罐。

4.1.1发酵罐容积和台数的确定

（1）发酵初糖浓度：

由前面的计算可知，发酵液中柠檬酸的含量为92 t/d，则根据：

C6H12O6?C6H8O7

180 192

可计算出葡萄糖量为：92×180÷192=86.25 t/d 则发酵初糖浓度为：86.25×100%÷771.80=11.18% （2）生产能力的计算：

现每天产99.5%纯度的柠檬酸92t，柠檬酸发酵周期为75h（包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间）。则每天需糖液体积为V糖。

每天产纯度为99.5%的柠檬酸92t，每吨100%的柠檬酸需糖液7.58 m3；

V糖=7.58×92=697.36m3

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设发酵罐的填充系数??90%，则每天需要发酵罐的总容积为Vo(发酵周期为48h）。

VO=V÷φ=697.36÷90%=774.84 m3

（3）发酵罐个数的确定：

现选择公称容积为200m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为例，则需要发酵罐的个数为N1。

查表知公称容积为200 m3的发酵罐，总容积为230m3，则： 每台罐的产量为：200×0.9×13%×1.11×95%×98%=24.2t 发酵罐所需个数=

日产量操作周期*= （92/24.2）×（75/24）=11.88

每台设备产量24取公称容积200 m3发酵罐12个；

每日投（放）罐次：92÷24.2=3.8 圆整到4次，日运转11.88×66÷75=10.38 h。 其中发酵时间为66h，发酵操作时间为75 h。

4.2柠檬酸生产的主要设备表

表2 年产3万吨柠檬酸工厂主要工艺设备一览表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

设备名称 调浆桶 喷射加热器 液化维持罐 板式换热器 磁力除铁器 斗式提升机 锥式粉碎机 连消系统 带式过滤机 发酵罐（六弯叶涡轮

搅拌器） 种子罐 发酵醪贮罐 酸解桶

规格与型号 V=6 m3 L=vt=4(m) V=12 m3

F=12 m2

9t/h 150m3/h 过滤面积7.8 m3 公称容积200 m3，

Φ5000mm 公称容积30 m3，

Φ2400mm V=367.2 m3 全容积9 m3

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材料 1Cr18Ni9Ti钢 1Cr18Ni9Ti钢 1Cr18Ni9Ti钢 1Cr18Ni9Ti钢

1Gr18Ni9Ti钢

A3钢 1Cr18Ni9Ti钢

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酸解液中转罐 硫酸高位槽 硫酸贮槽 稀酸解液贮槽 硫酸铵溶液输送泵 硫酸铵贮罐 中和罐 阴（阳）离子交换器 离子交换液贮罐 真空浓缩器 母液贮槽 冷凝水槽 结晶罐 干燥设备 压滤机 预过滤器 蒸汽过滤器 金属过滤器 液化醪泵 水力喷射真空泵 种子液输送泵 发酵醪液输送泵 自来水输送泵

离心机 热水箱 盐酸贮槽 烧碱高位槽

公称容积10 m3 公称容积10 m3 容积40 m3 有效容积15 m3 IS80-50-200 V=93.3 m3 全容积12 m3 总高5853mm 工作容积5 m3 蒸发量6.8 t/h 工作容积3 m3 V=10 m3 公称容积1m3 产量5 t/h 过滤面积64 m3 JLS-Yu-045 JLS-F-035 JLS-045 IS80-50-200 真空度 —600mmHg

IS80-50-200 IS80-50-200 IS80-50-200 1000r/s V=20 m3 公称容积20 m3

V=5m3

玻璃钢 机体铸铁 1Cr18Ni9Ti钢

金属镍 金属镍 金属镍 机体铸铁

机体铸铁 机体铸铁 机体铸铁 0Cr18Ni9Ti钢

玻璃钢

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第五章 车间布置

在本设计中，柠檬酸全厂的布局参考了某公司的各个车间的布局。此基础上，又做了一定的修补，因为柠檬酸厂的厂区是上世纪建立的，布局以及各建筑的设计不尽合理，区的环境美化及工人的组织基本没有。作为一个面向现代化的柠檬酸工厂，在设计中厂区的交通，卫生，环境要求都比较高，各车间的布局要合理，便于生产的顺利进行，将生产区和办公大楼分开建设，一个完善而先进的污水处理站也是必需的。同时，还应该有职工活动中心等。具体布局见附图4

车间布置设计的目的是对厂房的配置和设备的排列作出合理的安排，并决定车间，工段的长度，高度和建筑结构形式，以及各车间之间与工段之间的相互关系。

车间布置设计必须在充分调查的基础上，掌握必要懂得资料作为设计的依据或参考。这些资料包括：生产工艺流程图，物料衡算数据及物料性质，设备资料，公用系统耗用量，土建资料和劳动安全，防火，防爆资料，车间组织及定员资料，厂区总平面布置，有关布置方面的一些规范资料。

本设计负责年产30000吨一水柠檬酸厂发酵车间工艺设计，其主要工序包括液化醪→发酵醪→发酵成熟醪→至提取。车间布局包括三层楼。发酵罐因罐体较大贯穿于第1、2、3层；种子罐与硫酸铵贮罐贯穿于第1、2层；泵体一般安装于第1层，除主物料液化醪的输送泵置于第2层楼，（为了节省能耗，从液化段的喷射冷凝器直接送到二楼）；而发酵液贮罐因罐体庞大且无特殊要求，可置于发酵车间的室外；金属过滤器都安装于第3层，便于对发酵罐操作。这样的布局符合柠檬酸生产的工艺要求。具体布局见附图3和附图4。

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总 结

通过本次课程设计，我对柠檬酸的性质、用途，对世界柠檬酸生产和我国柠檬酸生产目前的状况以及将来的发展趋势，酒精的生产方法，都有了进一步了解，特别是对发酵法生产柠檬酸和柠檬酸发酵车间有了更深的了解。本设计充分考虑工业生产现状，并分析各种生产柠檬酸方法的优劣选择了工业上最常应用的淀粉原料。按照流程及车间布置的基本原则，合理的规划厂房、安放设备。

在本次课程设计中，我将所学过的工程制图、化工原理、制药工艺学、工程概论等知识进行了综合运用，使所学的理论知识和基础技能得到进一步的巩固和加深。在设计中，对Auto CAD软件的学习和食用、流程设计、工艺计算以及设备的设计选型使我对车间设计进行了进一步了解。

本设计了解国内外柠檬酸发酵业生产、发展概况之后，通过分析、比较，初步确定了设计方案。我国柠檬酸原料来源丰富，又有世界上独特的发酵技术，工艺简单，故选择以薯干粉为原料，采用黑曲霉，通过深层液体发酵生产柠檬酸。

年产3万吨柠檬酸发酵车间需发酵罐12个，每个发酵罐200 m3；日产92t无水柠檬酸，年耗薯干粉36552t。

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参考文献

[1]. 胡洪波.生物工程产品工艺学[M].高等教育出版社，2006:37-45

[2] 沈自法,唐孝宣等.发酵工厂工艺设计[M].华东理工大学出版社，1994.6，第35-212页 [3] 金其荣等.有机酸发酵工艺学[M].中国轻工业出版社，1987:65-156. [4] 梁世中.生物工程设备[M].化学工业出版社，2007;408-410. [5] 贺小贤.生物工艺原理[M].化工工业出版社，2007:52-55 [6] 王福源.现代食品发酵技术[M].中国轻工业出版社，1998：1-205

[7]王绍文等.高浓度有机废水处理技术与工程应用[M].冶金工业出版社，2003.156-163. [8]高廷耀.水污染控制工程（下册）[M].北京:高等教育出版社，1999.193-195 [9] 王博彦等.发酵有机酸生产与应用手册[M]，中国轻工业出版社，2000 :78-136 [10] 赵军等.化工设备机械基础[M].化工工业出版社，2000:64-189

[11] 蔡继宁等.化工设备机械基础课程设计指导书[M].化工工业出版社2000:45-125

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结 语

通过这次课程设计，让我对生物制品工艺学这门课有了进一步的认识。这次课程设计是对这门课程的一个总结，对综合运用知识的培养。设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素包括工艺流程和生产技术选择合适的设计参数，对工厂的年生产量和日生产量确定之后还要进行一系列的物料衡算。

通过这次设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课程设及中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。

这次课程设计的书写中对格式的要求也很严格，在老师的指导下我们按照毕业设计的格式要求完成课程设计。这就为我们做毕业设计打下了基础。

因为我们的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和指正。最后感谢老师对这次课程设计的评阅。

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