年产50000吨柠檬酸发酵车间设计

1、南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计 学院（系）： 生物与化学工程学院 专 业： 生物工程 学 生： * 指导教师： 李慧星（讲师） 完成日期 2009 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计年产50000吨柠檬酸发酵车间设计 Design an citric acid fermentation workshop plant with 50,000 tons annual output总计： 毕业设计（论文）38页表 格： 7 个插 图 ： 3 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计年产50000吨柠檬酸发酵车间设计 Design an citric acid fermentati

2、on workshop plant with 50,000 tons annual output学 院（系）： 生物与化学工程学院 专 业： 生物工程 学 生 姓 名： * 学 号： * 指 导 教 师（职称）： 李慧星 （讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2010年2月6月 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology年产50000吨柠檬酸发酵车间设计生物工程专业 田彬摘要 本设计采用玉米原料发酵,只需将玉米磨粉,加水调浆,直接加入少量淀粉酶液化后,灭菌、冷却,即可接种发酵。制备柠檬酸一般采用晒干的玉米作为原料。玉米含水13%、淀粉70%左右、蛋白质

3、6%左右。玉米原料中的蛋白质可作为氮源供菌体生长。玉米原料中含有铁、镁、钾、钙等的无机盐,选用的黑曲霉C0527对这些成分不敏感,故不必对原料做任何预处理。本设计采用好气液体深层发酵、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。通过工艺流程设计、工艺衡算、设备选型和车间布置设计，设计出年产50000吨柠檬酸发酵车间采用20个200m3发酵罐和7个30m3种子罐等。并依据生物工程工厂车间布置原则，对发酵车间进行合理布置，绘制了工艺流程图和车间布置图.完成了年产50000吨柠檬酸发酵车间的设计。工艺设计结果为柠檬酸的生产提供一定参考。关键词

4、玉米 深层好氧发酵 黑曲霉 柠檬酸 设备设计及选型Design an citric acid fermentation workshop plant with 50,000 tons annual outputBio-engineering Major TianbinAbstract The design of raw materials used corn fermentation, simply corn mills, water-paste, adding a small amount of direct -amylase liquefaction, sterilization, coo

5、ling, fermentation can be vaccinated. Preparation of citric acid normally used as raw materials dried corn. Corn moisture content of 13%, about 70 percent of starch, protein about 6 per cent. Corn raw materials in the protein can be used as source of nitrogen for cell growth. Corn raw materials cont

6、aining iron, magnesium, potassium, calcium of inorganic salt, optional black Aspergillus niger C0527 is not sensitive to these ingredients, it need not do any pretreatment of the raw materials. The design of a good gas liquids deep fermentation, dry calcium citrate extraction technology production,

7、moreover introduced the citric acid ferments in technical process and fermentative process each control main point. The two methods are more popular domestic production methods, has a great deal of practical experience, easy to operate, the risk small. Through process design, process cross operator,

8、 equipment selection and facility layout design to the annual output of 50,000 tons of citric acid fermentation plant by 11 fermenters with 550m3 and 4 seeds cans with 55m3. And factory floor layout based on the principles of biological engineering, the reasonable layout of the fermentation plant, r

9、endering the process flow diagram and plant layout. Design an citric acid fermentation workshop plant with 50,000 tons annual output. Process design for the citric acid production results provide some reference. Key words: Corn Deep-seated aerobic fermentation Aspergillus niger Citric acid Equipment

10、 Design and Selection目 录1前言11柠檬酸的介绍11.1.1柠檬酸的性质11.1.2柠檬酸的发酵机理11.1.3柠檬酸的主要用途31.2柠檬酸工业的历史和国内外产业现状41.2.1柠檬酸工业的历史41.2.2世界柠檬酸产业现状41.2.3我国柠檬酸产业现状51.3我国柠檬酸工业展望51.4本设计的意义和主要任务61.4.1本设计的意义61.4.2本设计的主要任务72 生产工艺82.1生产方法82.2 工艺流程82.3 操作工艺93 工艺计算书123.1 物料衡算123.1.1 工艺技术指标及基础数据123.1.2 原料消耗计算123.1.3 发酵醪量的计算133.1.4

11、接种量133.1.5液化醪量计算133.1.6 成品柠檬酸143.1.7 淀粉质原料年产5万吨一水柠檬酸厂总物料衡算143.2 热量衡算153.2.1 液化热平衡计算153.2.2 发酵过程中的蒸汽耗量的计算153.2.3 发酵过程中的冷却水耗用量计算173.2.4 发酵过程中的无菌空气耗用量的计算184 发酵车间设备设计与选型194.1 发酵罐的选型194.1.1 发酵罐容积和台数的确定194.1.2 主要尺寸的计算204.1.3 发酵罐冷却面积的计算214.1.4发酵罐搅拌器的设计214.1.5 发酵罐设备结构的工艺设计234.1.6 发酵罐设备材料的选择264.1.7 发酵罐壁厚的计算2

12、64.1.8 发酵罐接管设计274.1.9 发酵罐支座的选择284.2 种子罐的选型284.2.1 种子罐容积和数量的确定284.2.2 种子罐主要尺寸确定284.2.3 种子罐型号确定294.3 贮罐选型294.3.1 发酵成熟醪贮罐294.3.2 硫酸铵贮罐294.3.3 设备一览表305 全厂及车间布置325.1 全场及车间布置325.2 车间布置设计原则325.2.1车间布置设计的目的和重要性325.2.2车间布置的有关技术要求和参数325.2.3设备的安全距离335.2.4设备布置原则34结论36参考文献37致谢381前言1柠檬酸的介绍1.1.1柠檬酸的性质柠檬酸(Citric Ac

13、id)，学名2-羟基丙烷三羧酸，分子式C6H8O7。为无色透明斜方晶系晶体粒，或白色结晶性粉末。无臭，有很强的酸味，味阈值为0.0025%。在温暖的空气中渐渐风化在潮湿空气中微有潮解性。柠檬酸易溶于水，能溶于乙醇，而不溶于乙醚、氯仿、苯、CS2、CCl4及脂肪酸。商品柠檬酸有二种形式：一种是一水物，是由低温（36.6）水溶液中结晶析出，经分离、干燥后的产物，含结晶水量为8.58%，熔点7075，相对密度d204=1.542。在20下100克水中可溶解一水柠檬酸147克。在干燥空气中久置，晶格中的结晶水逸出而风化。另一种是无水物，是由较高温度（36.6）水溶液中结晶析出的。一水柠檬酸转变为无水柠

14、檬酸的临界温度为（36.60.15），无水柠檬酸的熔点153、相对密度d204=1.6650。11.1.2柠檬酸的发酵机理1 黑曲霉的柠檬酸生物合成途径已知生长在葡萄糖培养基上的黑曲霉存在着糖酵解途径(EMP)、磷酸戊糖途径(HMP)、三羧酸(TCA)循环和乙醛酸循环的酶系。经过多年研究，现在普遍认为，黑曲霉利用糖类产生柠檬酸的生物合成途径是：葡萄糖经EMP或HMP降解，形成丙酮酸；丙酮酸一方向氧化脱羧生成乙酰COA、另一力面经CO2固定羧化成草酰乙酸：然后草酰乙酸与乙酰COA缩合生成柠檬酸(图1-1)。 图11柠檬酸的生物合成途径1-丙酮酸脱氢酶； 2-柠檬酸合成酶； 3-乌头酸水合酶； 4

15、-异柠檬酸脱氢酶；5-酮戊二酸脱氢酶； 6-琥珀酸脱氢酶 7-富马酸酶； 8-苹果酸脱氢酶9-丙酮酸羧化酶； 10-磷酸烯醇丙酮酸羧激酶氧化脱羧柠檬酸也即是：乙酰-COAEMP途径丙酮酸葡萄糖 羧化草酰乙酸图1-2 柠檬酸合成途径2 由淀粉或糖类发酵转化为柠檬酸是一个非常复杂的过程。虽然详细的柠檬酸生物合成及三羧酸(TCA)循环23的调控机制尚不十分清楚，然而在1981 年Rohr 及Kubick 曾就前人的研究成果及其本身的研究，对黑曲霉发酵生产柠檬酸的调控，包括糖酵解（EMP）及TCA循环作了解释4。三羧酸循环又称柠檬酸循环，因在循环反应过程中有柠檬酸等三梭酸而得名，也称克雷布斯循环（Kr

16、ebs Cycle）。即葡萄糖酵解成为丙酮酸，由丙酮酸氧化脱羧生成活性乙酸或称乙酞辅酶A 和羧化生成草酞乙酸。活性乙酸与草酞乙酸缩合成柠檬酸。1.1.3柠檬酸的主要用途柠檬酸是当今利用微生物生产的一种极为重要的有机酸，广泛应用于食品、饮料、医药、工、冶金等领域。柠檬酸的用途主要分为食品工业、医药工业和化学工业三个方面。1、在食品工业上的应用：柠檬酸具有令人愉快的酸味，入口爽快，无后酸味，安全无毒，此被称为第一食用酸味剂，被广泛用于饮料、果酱、果冻、酿造酒、冰激凌和人造奶油、制品、罐头制品、豆制品及烟草中。2、在医药工业上的应用：医药上广泛用到柠檬酸及其盐类。柠檬酸盐用于补充相应元素，具有溶解度

17、高，生理宽容性大，酸根直接被吸收代谢而无羁留等优点。柠檬酸糖浆、柠酸铁铵、柠檬酸钾、柠檬酸钠、柠檬酸铜、柠檬酸镁被广泛应用于临床。3、在建筑工业中，可做混凝土缓凝剂，提高工程抗拉、抗压、抗冻性能，防治龟裂。4、 在化妆品业中，可做抗氧剂和发泡剂。5、 在油田工业方面，柠檬酸铝是一种新型油田化学品，用作水溶性聚合物的交联剂。国外在压裂、堵水、剖面调整等采油工艺中已广泛使用，提高了采油率。6、在化学工业上的应用：柠檬酸及其盐类在工业上的应用发展得最快。柠檬酸被广泛用缓冲剂、催化剂、激活剂、增塑剂、螯合剂、清洗剂、吸附剂、稳定剂、消泡剂等。其中洗涤剂方面的应用增长最大。柠檬酸钠盐的螯合作用很有特异性

18、，可以替代三聚磷酸钠，为绿色环保的无磷洗衣粉的原料。在国际市场上（以1999年欧洲市场为例），柠檬酸用作食品添加剂（主要是饮料）占62%，作洗涤剂的助剂为12%，用于医药和化妆品占11%，其它工业方面的应用占15%。美国柠酸的用量是世界上最大的，年需求量约为25万吨，最大的消费领域是饮料，占45%，加上它食品共占70%，洗涤剂行业消费占20%，还有10%用于化工和医药。在美国，用于食品饮料的柠檬酸大部分从欧洲和日本进口，而用于洗涤剂的柠檬酸大部分是从中国进口的。本是我国第二大柠檬酸出口国，每年从中国进口2万吨左右柠檬酸，目前年消费增长率为34%，消费分布为：食品行业2.1万吨，洗涤剂业1.2万

19、吨，医药业2000吨，其它方面为3000吨。5国内柠檬酸主要用于饮料和食品行业。但由于人们饮食习惯，以及市场开发不够等原因，求增长缓慢，年需求量增长仅1%左右。近年来，随着我国环保工作的加强，磷污染引起的境问题日益受到人们的关注，许多地区已禁止使用含磷洗衣粉，使得柠檬酸在洗涤剂行业有了一席之地，但我国柠檬酸人均消费量与发达国家比还有相当差距。随着快速增加的产和缓慢增长的国内需求差距的加大，造成柠檬酸产量严重供大于求，必须依赖出口解决这矛盾。1.2柠檬酸工业的历史和国内外产业现状1.2.1柠檬酸工业的历史自然界中许多微生物能向体外分泌或在环境中积累柠檬酸。但在工业领域中最有竞争力的微生物是黑曲霉

20、。柠檬酸是由瑞典化学家scheere于1784年从柠檬酸果汁中提取制成，并获得结晶。1891年德国微生物学家Wehmer发现青霉菌能生产柠檬酸，其中以黑曲霉产酸最高。1892年，Wehmer从腐败的柑橘上分离出一种产柠檬酸的菌，即橘青霉(Penicillium citrinum)。1897年，他又发现淡黄青霉(P.liteum)和梨型发霉(Mucor piribormis)也有产酸能力6。1913年Zahorski首先利用黑曲霉生产柠檬酸。1917年Currie初步奠定了发酵法生产柠檬酸的科学基础。7 柠檬酸作为一种重要的有机酸，自1923年美国辉瑞(Pfizer)公司建立了第一个以黑曲霉浅发

21、酵法生产柠檬酸的工厂以来，由于菌种选育和生产工艺的不断改进，生产率不断提高。1952年美国Miles实验室采用较为先进的深层发酵工艺实现了工业化大生产，从此柠檬酸的量逐年增加。近年来美国迈尔斯公司采用玉米淀粉为原料，经双曲法水解淀粉为液体葡萄糖进行浓酸深层发酵，发酵液中产酸浓度达22一23。最近几年由于许多国家对环保的重视，限制使用含磷洗涤剂，使其应用领域进步拓宽，需求量不断增加。2002年，世界柠檬酸消费量（不含中国）已升至近百万吨，年增率约5%。1.2.2世界柠檬酸产业现状目前，全球柠檬酸的总生产能力接近120万吨/年，中国占50%，世界总需求量为105110万吨/年，呈供大于求的状况，过

22、剩的生产能力主要在中国。消费以欧美为最大的市场，市场合计消费量占全球总消费量的70%。近几年，国外的柠檬酸生产企业通过兼并、新建又增加了新的生产能力。1998年TATE LYLE公司收购了拜耳的子公司HAARMANN REIMER的拉丁美洲和美国俄亥俄州代顿的年产量为60kt的柠檬酸工厂，市场份额增加到了17%。位于奥地利的JUNGBUNZLAUER公司在加拿大安大略湖建立了新工厂以扩大它在北美的市场。2000年6月，该公司与加拿大的CASCO公司签定了长期供应协议，即JUNGBUNZLAUER公司加工CASCO提供的发酵原料来生产柠檬酸，并于2002年初投产。CARGILL公司在巴西乌贝兰迪

23、亚的玉米湿磨厂附近投资建设一家生产工厂。2000年日本三菱株式会社和昭和化工株式会社共同投资在泰国北部建成了年产8000吨精品柠檬酸的工厂，以生产木薯淀粉的副产物木薯渣固体浅盘发酵生产柠檬酸。瑞士ROCHE化学公司和无锡中亚化学公司在无锡合资建立了ROCHE中亚公司，40kt/年柠檬酸的生产线已投入生产，产品将出口到世界各地。以色列Gadot生化公司（GBI）和土耳其Alarko公司，在土耳其投资新建了一家柠檬酸厂，生产能力为25kt，并于2003年第二季度投产。1.2.3我国柠檬酸产业现状我国自1969年开创了具有中国特色的柠檬酸发酵工业以来，柠檬酸生产技术已取得了长足的进歩，尤其是经过几代

24、人的不懈努力，选育出了具有底物粗放（原料无需预处理）、较强的适应性（能采用山芋干、玉米、木薯、大米等多种淀粉质原料进行发酵）、遗传性能稳定、产酸纯度高等优良特性的菌种。将我国的19972003年柠檬酸生产产量及出口数量进行对比。如下表1.2.3：表1.2.3 19972003年6月我国柠檬酸生产、出口情况年份产量(kt)同比增长(%)出口量(kt)同比增长(%)1997170142.119982001715161999280202101720003692525822.92001385102787.82002425102862.92003年16月18526.7由表可知，我国2000年的柠檬酸产量

25、达到369kt，柠檬酸及柠檬酸盐类出口量为258kt，分别比上年增长26.4%和22.9%。进入新世纪，我国柠檬酸发展的势头不减。2001年，我国柠檬酸产量为385kt，出口柠檬酸及柠檬酸盐278kt。2002年我国柠檬酸产量突破400kt，达到425kt，柠檬酸及柠檬酸盐类出口基本与上年持平，为286kt（其中柠檬酸为260.3kt，柠檬酸盐类为25.8kt）。我国柠檬酸行业由于技术创新相对滞后，在经营管理、产品质量、品牌效应等方面，与跨国公司无法匹敌，已出现严重的供大于求的局面。因此我们必须做出改变，迅速提高并逐步发展我国的柠檬酸工业。1.3我国柠檬酸工业展望我国柠檬酸发酵自工业化生产以来

26、已经走过了40个春秋。据不完全统计，生产厂已超过100 家。年生产能力达50 多万吨。其中引进三个国家五个公司的提取生产设备30 多台套，发酵设备近10 台套。应用带式过滤机50 多台，其中引进20 多台套。1993 年产量超过16 万吨，其中出口超过14 万吨。以国家论，拥有的柠檬酸生产能力已升至世界第一位，产量居世界第二位。 我国的发酵技术及水平特别是菌种及发酵工艺仍为世界领先。玉米粉、淀粉、木薯粉、葡萄糖母液等直接深层发酵技术已为我国所独有，提取收率由于引进国外先进技术与设备也已逐步接近世界先进水平，取得了举世瞩目的成就。 目前世界柠檬酸总产量达110万吨，1993 年无水柠檬酸美国市场

27、价格为每吨1800 美元；欧洲市场为每吨1600 美元。而我国无水柠檬酸在美国市场仅每吨1200 美元。因此，具有强大竞争能力。特别是“人关”以后更具有强大的生命力。供不应求的局面将长期存在。我们应及时抓住这难得的机遇，把握住国际市场，结合我国柠檬酸工业情况，应注意以下诸多方面：1 继续选育优良菌种，提高菌种抗氮、抗变质玉米性能，提高稳定发酵水平。改革发酵原料结构，除淀粉外，开发小麦、玉米等多种大量生产作物作为原料，应用于柠檬酸生产。2 为了适应生产大型化，要改进目前抱子培养方法，开发干抱子培养制造技术，并使之工业化生产，供各柠檬酸厂使用。这样就可集中研究菌种的筛选、诱变、纯化、复壮、改良及保

28、藏等技术。节省大量人力物力，并能稳定提高工厂生产水平。3 改革并改进发酵设备、提取设备和提取工艺。其中包括：（1）研究采用大型的无搅拌发酵罐，改进空气净化系统和发酵灭菌消毒工艺。（2）采用石灰为中和剂代替碳酸钙。改进中和罐、酸解罐的结构与形式。实现pH 、“电导”传感器控制中和及酸解终点，实现自动流加、温控，提高改进酸解液浓度及酸解工艺。采用阴离子与阳离子净化，控制工艺用水质量。采用二效三体浓缩及结晶，连续离心结晶。实现密闭连续化、自动化生产。提高产品质量及整个柠檬酸工业生产水平。（3）开展柠檬酸系列产品的开发与研究。改进柠檬酸钠、钾、钱生产工艺。要从发酵液中直接提取这些盐类。此外，对柠檬酸酷

29、（如：柠檬酸三丁醋）虽有研究，具有广阔的前景，但尚未工业化生产，还有柠檬酸本身的品种也需扩大，除生产一水及无水柠檬酸外还应生产液体柠檬酸，工业用柠檬酸等等。供短途客户或使用方便之需要，可节省大量人力与物力。4 开展柠檬酸应用研究，如代替三聚磷酸钠应用于洗涤剂中。开发重垢型液体新一代洗液剂、去垢剂、消泡剂、增塑剂、防腐剂等等。进一步开拓国内外市场，使国内柠檬酸消费量能有较大幅度增长。形成国内外市场并举，促进我国柠檬酸工业发展。5 成立跨国柠檬酸公司，统筹柠檬酸产品及原料进出口、管理技术开发、咨询、转让、服务等。81.4本设计的意义和主要任务1.4.1本设计的意义我国柠檬酸发酵生产虽然取得了长足的

30、进步，但与国外先进水平相比仍有很大的差距。因此提高我国柠檬酸生产的工艺技术水平，实现低消耗、低成本、高效率的生产目标，建立具有竞争力的、更经济的生产体系，对柠檬酸行业的生存和发展有着极其重要的意义。发酵是柠檬酸工业的龙头，发酵水平的高低主导着柠檬酸生产的成本和经济效益。原料和菌种是柠檬酸行业亟待解决的课题。我们目前主要的原料是薯干和玉米。前者仍粗料发酵，它带来了一系列固有的缺陷，如培养基营养成分的波动；大量不参与生化反应杂质空耗能源，并给提取增加额外负担；发酵液总糖浓度偏低，影响了发酵指数和设备利率；发酵液滤渣价值很低，难以综合利用等等。本设计发酵原料采用玉米粉发酵，而没有用国内常用的以薯干为

31、原料生产柠檬酸的发酵技术，虽然我国以薯干为原料生产柠檬酸的深层发酵技术具有独创性，发酵指数处于世界前列，但提取工艺和设备都比较落后，生产能耗高，收率低，产品质量差，单位产值能耗是国际先进水平的180240，收率比国际先进水平低815，且在生产过程中产生的大量废水，废气，废渣未能有效治理。而采用玉米为原料的发酵方法，不仅因为它营养价值高，更因为它利用率高，经过脱胚芽榨油的渣可转变为饲料，可降低企业生产成本，竞争力较强。从山芋干到玉米粉，是一个 飞跃。它使设备的生产能力提高了30，再也不会出现倒罐的现象，总收率比1994年提高了22个百分点；发酵周期大大缩短，产品全部达到出口标准；其每吨产品成本下

32、降了30低于国内同行1500元左右，低于国外同行近400美元；粮耗降13，电耗降35，水耗降65；含糖废水COD降低了50同时，综合利用每吨柠檬酸新增产值1000余元。因此采用玉米粉发酵技术。1.4.2本设计的主要任务主要任务是完成工艺计算，发酵车间设备设计与选型及车间布置，最后是绘图设计。其中，工艺计算包括物料衡算与热两衡算。物料衡算含有工艺技术指标及基础数据原料消耗计算发酵醪量的计算接种量液化醪量计算成品柠檬酸淀粉质原料年产5万吨一水柠檬酸厂总物料衡算。热量衡算包括液化热平衡计算发酵过程中的蒸汽耗用量计算发酵过程中的冷却水耗用量计算发酵过程中的无菌空气用量计算。发酵车间设备设计与选型包括发

33、酵罐的选型，种子罐的选型及贮罐的选型。要解决发酵罐的选型则需要解决以下问题确定发酵罐的容积和台数主要尺寸的计算发酵罐冷却面积的计算发酵罐搅拌器的设计发酵罐设备结构的工艺设计发酵管设备材料的选择发酵罐壁厚的计算发酵罐接管设计发酵罐支座的选择。要完成种子罐的选型则要确定种子罐的容积和数量种子罐的主要尺寸种子罐的型号。同样，贮罐的选型要完成发酵成熟醪贮罐，硫酸铵贮罐及设备一览表。2 生产工艺2.1生产方法本次生产工艺设计采用玉米原料为原料，采用玉米直接粉碎调浆，加入定量的高温淀粉酶，加温处理，快速过滤掉过剩的蛋白质及玉米渣后，进行好氧液体深层发酵，钙盐法提取生产柠檬酸。92.2 工艺流程本次生产工艺

34、的基本过程是：原料玉米经过磨粉与淀粉酶混合后进行液化，使玉米转化为糖液，糖液经过滤后除去玉米渣。糖液与菌种送至发酵罐，在发酵罐中保持所需温度及不断搅拌下，通入无菌空气进行深层发酵，使糖液转化为柠檬酸,发酵完成后经压滤出去菌丝体。发酵液进入提取中和锅，与相应量的碳酸钙反应生成柠檬酸钙晶体，该晶体送入碳解锅内与硫酸反应，反应结束后经抽滤，出去硫酸钙固体。液相为柠檬酸溶液送后工段进行精制造.溶液先经活性碳脱色，再经阳离子交换柱除去金属离子，再经阴离子交换柱出去酸离子后送入蒸发器加热浓缩，经三级真空蒸发浓缩后获得柠檬酸晶液，晶液经离心过滤得到湿柠檬酸液体，湿柠檬酸晶体再经震动硫化床以热风干燥，最后得到

35、成品。工艺流程图见图21所示：成品阳柱废氨水阳柱废酸水再生冲洗水离子交换淡酸水碳柱废碱水沙柱冲洗水浓糖水菌丝体抽滤洗糖水玉米渣糖化洗滤布水洗罐水二压洗滤布水压滤发酵过滤糖化粉碎原料中和酸解沙滤活性炭吸附浓缩结晶阴离子交换阴离子交换图21：柠檬酸生产工艺流程示意图102.3 操作工艺（1）原料的处理 以玉米为原料的柠檬酸生产厂家收购玉米的标准为：淀粉含量不低于65%，水分一般不高于14%，杂质要求不高于5%。贮存玉米的仓库为钢板仓，附有鼓风系统，定期鼓风。首先经刮板、提升等设备输入至粉碎机进行粉碎，加工成60目以上的细颗粒，通过引风机引风将粉碎过的玉米提升至玉米粉刮板机，然后进入调浆槽。粉碎机采

36、用布袋除尘器，一则提高粉碎收率，二则降低玉米粉对大气的污染。粉碎所得的颗粒越细在后续的糖化工序中越容易将淀粉转变成单糖或双糖。调浆用的水质要求不高，蒸汽冷凝水、地面冲洗水都可以，所加工的玉米粉中10% 供给发酵小糖化，90%供给原料大糖化。调好浆后泵入配料罐内加上循环水、蒸汽冷凝水等定容至规定的要求，添加氢氧化钙，将PH调到7左右即可，钙的作用主要是激活酶，提高们的效果。最后添加耐高温淀粉酶。通过泵和加压蒸汽的作用使配好料的玉米浆在层流罐里升至75度左右，同时进行充分的糊化，最后进入维持罐，再加热至95度左右开启搅拌维持40分钟，之后取样加碘液若显原色即代表玉米中绝大部分的淀粉转化为糖类，若显

37、深蓝色则说明糖化不够彻底，需继续延长时间维持。否则不仅会增加粮耗，还会影响发酵周期和产酸，所以在原料车间最主要的是要保证淀粉转变彻底。当然影响其原因的也很多：1、粉碎的颗粒低于60目以下糊化不充分；2、糊化和维持的温度和时间不够；3、糊化进料不够均匀等等。维持好的混合液进板框进行压滤，压成饼状后进一步烘干，变成蛋白饲料，清液即变成糖。在烘干过程中，引风机将干燥时产生的二次蒸汽给排到大气中，但极易引出部分蛋白饲料，为减轻对环境的污染，在引风机前装有湿式除尘器，产生的废水同样用于玉米粉调浆。连续使用的滤布定期清洗，清洗的废水也用于玉米粉调浆。但夏天天气炎热，容易滋生细菌。这类水通常当废水排放，CO

38、D很高一般在10000mg/l左右,水量少，无毒害物质。尤其不能提供给发酵车间所直接用的玉米浆的调浆用水，极易造成发酵罐染菌。同时还定期用甲醛对配料罐、层流罐、维持罐、糖液贮槽进行消毒，产生的废水进入污水站，烘干玉米渣的蒸汽冷凝水可提供给粉碎调浆、配料罐定容，这样原料的工作就完成了。（2）发酵工序 柠檬酸生产的最重要的一个环节，它的生产水平的高低直接决定着柠檬酸成本的高低，因为柠檬酸生产65%的能耗都集中在发酵车间。首先在电耗方面：几乎每只发酵罐的搅拌电机的功率在200KW左右，不包括供氧所用的大功率空压机，所以当发酵产柠檬酸的浓度高、周期短时柠檬酸的生产成本会直线下降，反之，成本会直线上升。

39、其次在蒸汽方面：发酵罐和种子罐的消罐、小糖化的生产、发酵后的柠檬酸清液加热等（蛋白质絮凝,便于后续板框过滤）都会涉及到很多蒸汽。粉碎机直接提供给发酵的玉米粉，一方面用于发酵车间经糖化后的混合液作种子罐培养基，另一方面作为发酵罐底料，发酵罐放罐和清洗、消罐的水全部进入加热槽后开始往该罐内重新加入底料，同时将黑曲霉菌和降温后的糖液泵入种子罐内进行种子培养，发酵罐底料加完后再加入温度在85度左右的糖液（糖液温度若偏低易酸败），加完糖液后在发酵罐内用沙滤水定容至规定的位置，再用常温的循环水通过罐外的循环水管将混合后的料液换热至36度左右，最后将种子罐的料液泵入发酵罐，同时开启搅拌机、空压机进行供氧。5

40、0小时后分析检测发酵液的残糖、还原糖等，若低于要求后即可停止供气和搅拌，准备放罐。放到加热槽内升温至60度后泵入发酵的板框压滤机，经压滤后所得到的清液就是粗柠檬酸，渣就是菌丝体，将菌丝体用地面冲洗水或循环水调浆后再次泵入板框，尽量对菌丝体中的残酸吃干榨尽，提高收率。而菌丝体因PH 的上升，更容易出售，可以外卖当饲料。11 （4）提取工段 1、粗柠檬酸清液和石灰（碳酸钙或氢氧化钙）反应得到柠檬酸钙、水和二氧化碳。通过反应、漂洗得到纯净的柠檬酸钙，其余的全部排入废水中。2、柠檬酸钙和浓硫酸反应生成硫酸钙（即石膏）和柠檬酸。硫酸钙通过漂洗、脱水降低水分和残酸，提高柠檬酸（酸解液）收率及石膏售价。酸解

41、液通过预涂过硅藻土或珍珠岩的助滤剂去除悬浮物等杂质。反应后的助滤剂和石膏混合出售。清洗滤布的废水回到酸解锅或离交废水池。3、柠檬酸经离交柱脱色、去除阴阳离子后即可得到纯柠檬酸清液（离交液）。加入HCL、NaOH、无离子水对酸解液中的阴阳离子、色度等进行去除，产生的废水即为离交水。 该车间实际上将粗柠檬酸清液提取成纯柠檬酸清液的一个过程，提高柠檬酸溶液的透光率、酸浓度。降低易碳倍数、浊度和阴阳离子等。去除的这些“垃圾”全部进入废水和硫酸钙（石膏）中。 （5）精制工段 1、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

42、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。2、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

43、经湿式旋风分离器处理排放，干燥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。123 工艺计算书3.1 物料衡算3.1.1 工艺技术指标及基础数据项 目 内容生产规模 50000t/a99.5%一水柠檬酸折合成45813t/a99.5%无水柠檬酸生产方法 外加耐高温-淀粉酶液化，深层液体发酵，钙盐干法提取生产天数 每年300天食用99.5%无水柠檬酸日产量 45813/300=152.7，取整数为153食用99.5%无水柠檬酸年产量 153300=45813t产品质量 国际药典柠檬酸99.5%（质量分数），副产品约占2%主要原料

44、 含淀粉量 70%，水分13%-淀粉酶用量 8U/g原料 操作参数 13 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；产酸率（即糖发酵液转化率） 13%；发酵周期75，发酵温度（351），发酵通风量 3.1.2 原料消耗计算年产5万吨一水柠檬酸，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” （基准：1吨成品柠檬酸）：无水柠檬酸需要量为：50000/1.0914=45813t/a（1）生产无水柠檬酸的总化学反应式： X 192 1000（2）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需的理论淀

45、粉消耗量：X=1000*（162/192）*99.5%=839.53 kg（3）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际淀粉消耗量：Kg（4）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际玉米粉原料消耗量：kg（5）-淀粉酶的消耗量:应用酶活力为20000u/g的-淀粉酶使淀粉液化。-淀粉酶用量按8u/g原料计算；有：1390.571038/20000=0.56kg3.1.3 发酵醪量的计算根据发酵液转化率为13%：1000*99.5%/（95%*98%*13%）=8221.1kg3.1.4 接种量 接种量为发酵醪的10%，则：3.1.5液化醪量计算因为成熟蒸煮醪为：8221.1-747.3

46、7-0.56=7473.17则调浆浓度为： 1390.57*100%/7473.17=18.6%粉浆的干物质浓度为：973.4*100%/7473.17=12.54%蒸煮直接蒸汽加热,采用连续液化工艺:操作流程:混合后粉浆温度为50,应用喷射液化器迅速使粉浆升温至100.升温后进入维持罐,使料液保温2030min以完成液化,进蒸汽压力保持在0.30.4Mpa表压液化完成的醪液由板式换热器降温至35+1备用。调浆及液化灭菌时产生的泡沫可用少量泡敌消泡。工艺计算:干物质含量B0=70%的玉米原料比热容为: C0=4.18(1-0.7 B0)=2.13kJ/(kgK)粉浆的干物质浓度为B1=12.5

47、4%液化醪的比热容为:C1=B1C0+(1.0- B1)Cw =12.54%2.13+(1.0-12.54%)4.18 =3.92kJ/(kgK)Cw-水的比热容取4.18kJ/(kgK)为简化计算,假定液化醪的比热容在整个过程中维持不变.经喷射液化器前的液化醪量为X:X+X3.92(100-50)/(2731.2-1004.18)=7473.17(kg) 解得X=6889.4（kg） 其中2731.2-喷射液化器加热蒸汽0.3Mpa的焓3.1.6 成品柠檬酸日产柠檬酸量为： 45813/300=152.7即结晶液中柠檬酸的含量为：152.7需精制液中柠檬酸含量为：152.7/98%=155.

48、8 需分离液中柠檬酸的含量为：152.7/95%*98%=164t/d3.1.7 淀粉质原料年产5万吨一水柠檬酸厂总物料衡算即对生产45813 99.5%无水柠檬酸的玉米原料柠檬酸厂进行计算。14（1）柠檬酸成品日产食用99.5% 无水柠檬酸量为152.7t，取整数为153t日产副产品为： 153*2/98=3.12t则日产总量为：156.12t实际年产量为：食用柠檬酸量为：153*300=45900 副产物为：3.12*300=936 总产量为：46836（2）主要原料玉米用量 日耗量：1390.57*103*156.12=217.1t 年耗量：217.1*300=65130t（3）根据以上

49、计算，将物料衡算结果列于表31。表31 50000玉米原料柠檬酸厂物料衡算表物料名称每吨产品耗物量年产5万吨耗物量每天（ 每年食用柠檬酸98015345900副产品203.12936玉米原料1390.57217.165130淀粉973.4151.9745591-淀粉酶0.560.08726.23发酵醪8221.11257.8.4接种量747.37114.334304.2成熟蒸煮醪7473.171143.4.5 玉米浆量6889.41054.53.2 热量衡算3.2.1 液化热平衡计算喷射加热器耗热喷射加热初温t1=50加热后t2=100醪液的比热容为C1 =3.91kJ/(kg)由工艺可知:经

50、过喷射加热器温度由t1=50升温至t2=100Q= C1G醪液(100-50) =3.926889.4(100-50)=.4 kJ3.2.2 发酵过程中的蒸汽耗量的计算（1）蒸汽用量的计算公式整个生产过程采用蒸汽间接加热，蒸汽耗用量计算公式为：式中：为蒸汽的热效率，取；I汽化潜热。（2）基础数据在28下，查得：淀粉的比热容为1.55 水的比热容为4.174 加热蒸汽的热焓为2549.5 加热蒸汽的冷凝水的热焓为1250.60由前面的计算可知：日耗玉米粉量为217.1t/d 日耗淀粉量为151.97t/d 日耗玉米浆量为1054 t/d则日耗调浆用水量为：1143.4-217.1=926.3t/

51、d日耗淀粉浆量为：152+926.3=1078.3 t/d淀粉浆中含水量为：（926.3/1078.3）*100%=85.9%淀粉浓度为：（91.3/662.41）*100%=14.1%由此可算得淀粉浆的比热容为： 式中：X淀粉浓度，14.1%Y水浓度，85.9%（3）生产过程中蒸汽耗量的计算培养基灭菌及管道灭菌：培养基采取连消塔连续灭菌，进塔温90，灭菌130则灭菌用蒸汽量：每罐的初始体积为180，初糖浓度是13g/100ml，灭菌前培养基含糖量19%。其数量为：180*13%/19%=123.15t灭菌加热过程中用0.3Mpa，蒸汽（表压）I=2725.3，由维持罐（90），进入连消塔加热

52、至130，糖液比热容3.69。每罐灭菌时间3h，输料流量123.15/3=41.05 t/h，消毒灭菌用蒸汽量：；每天培养基灭菌用蒸汽量：2.78*3*4=33.36 t/d；所有用罐空罐灭菌及相关管道灭菌用蒸汽量，根据经验取培养基灭菌用蒸汽量的10%，则：。加热发酵醪所用的蒸汽量：柠檬酸水溶液的比热容可按下式近似计算：式中：0.99比热容 柠檬酸质量分数，=（98.42/771.8）*100%=12.8% t 温度，代入上式，得：C=（0.99-0.66*12.8%+0.001*35）*4.19=3.94 那么由此可得为： （4）将发酵段蒸汽衡算列于表32。表32 发酵车间蒸汽衡算生产工序日用蒸汽量(t/d)平均蒸汽用量(t/h)年用蒸汽量（t/a）培养基灭菌33.362.7810008加热发酵醪107.254.532175空罐灭菌3.340.141002合计143.957.42431853.2.3 发酵过程中的冷却水耗用量计算已知发酵过程中的发酵热为4.18*6000，200的发酵罐一般装料量为180（填充系数为