年产5000吨发酵食醋发酵车间设计.doc

第三章 设备选型计算是彩虹的 其余的是模板的年产5000吨发酵食醋发酵车间设计万重阳（武汉工业学院 生物与制药工程学院 武汉 430023）摘 要：食醋发酵是继酒精发酵之后，在醋酸菌氧化酶的作用下，生成醋酸的过程。食醋原料，按照工艺要求一般可以分为主料、辅料、填充料和添加剂四大类。主料大致是含淀粉、含糖、含酒精的三类物质。本设计对醋酸生产的发酵车间进行了工艺计算和设备选型。关键词：食醋、发酵罐、深层发酵。Abstract：Vinegar fermentation following the process of alcoholic fermentation generates acetic acid under the action of acetic acid bacteria oxidase. Raw materials to produce vinegar, according to the process requirements, can be generally divided into four categories, such as main materials, auxiliary materials, filling materials and additives. The main materials roughly contain starch, sugar and alcohol. The design of the workshop to produce acetic fermentation was about process calculation and equipment selection.Keyword：vinegar, fermenter, deep submerged fermentation.绪论1、食醋的起源与功能食醋是传统的酸性调味品，我国酿醋自周朝开始，已有2500年历史。中国各地物产气候不同，产生了各具特色的地方食醋，保持至今最著名的江苏镇江香醋、山西老陈醋、四川保宁麸醋、辽宁喀左陈醋等。中国医药大典记载，“醋产浙江杭绍二县为最佳，实则以江苏镇江为”，镇江香醋以糯米为原料，是一种典型的米醋。梁人陶弘景神农本草经注中就有关于镇江米醋用法的记载，据此，镇江香醋已有1400多年的历史。性能：味酸、甘，性平。归胃、肝经。能消食开胃，散淤血，止血，解毒。 因原料和制作方法的不同，醋的成品风味迥异。醋是用得较多的酸性调味料。每100mL醋中的醋酸含量，普通醋为3.5g以上，优级醋为5g以上。由于醋能改善和调节人体的新陈代谢，作为饮食调料，需要量不断增长。2、食醋的种类食醋可划分为酿造醋、合成醋、再制醋三大类。酿造醋是用粮食等为原料，经微生物制曲、糖化、酒精发酵、醋酸发酵等阶段酿制而成。除主要成分醋酸外，还含有各种氨基酸、有机酸、糖类、维生素、醇和酯等营养成分和风味成分。合成醋是用化学方法合成的醋酸配制而成，缺乏发酵调味品的风味，质量不佳。再制醋是以酿造醋为基料，经过进一步加工制成，如五香醋、蒜醋、固体醋等。3、食醋的原料食醋原料，按照工艺要求一般可以分为主料、辅料、填充料和添加剂四大类。主料大致是含淀粉、含糖、含酒精的三类物质。辅料，一般使用谷糠、麸皮或豆粕作辅料。他们不仅含有一定量的碳水化合物，而且含有丰富的蛋白质和矿物质，为酿醋用微生物提供营养物质，并增加成醋的糖分和氨基酸含量，形成醋的色香味成分。填充料，固态发酵法制醋以及速酿法制醋都需要填充料，其主要作用是疏松醋醅，积存和流通空气。添加剂：食盐，醋醅发酵成熟后要及时加入食盐以抑制醋酸菌，防止醋酸菌将醋酸分解，同时食盐还起到调和风味的作用。砂糖、香辛料，能增加醋的甜味，并赋予食醋特殊的风味。炒米色，能增加醋色泽及香气。4、食醋的生产工艺食醋的生产工艺分固态法及液态法两类。 (1) 固态法酿醋工艺 传统的固态法酿醋工艺主要有3种。1、用大曲制醋：以高粱为主要原料，利用大曲中分泌的酶，进行低温糖化与酒精发酵后，将成熟醋醅的一半置于熏醅缸内，用文火加热，完成熏醅后，再加入另一半成熟醋醅淋出的醋液浸泡，然后淋出新醋。最后，将新醋经三伏一冬日晒液与捞冰的陈酿过程，制成色泽黑裼、质地浓稠、酸味醇厚、具有特殊芳香的食醋。著名的有山西老陈醋。2、用小曲制醋：以糯米和大米为原料，先利用小曲（又称酒药）中的根霉和酵母等微生物，在米饭粒上进行固态培菌，边糖化边发酵。再加水及麦曲，继续糖化和酒精发酵。然后酒醪中拌入麸皮成固态入缸，添加优质醋醅作种子，采用固态分层发酵，逐步扩大醋酸菌繁殖。经陈醋酿后，采用套淋法淋出醋汁，加入炒米色及白糖配制，澄清后，加热煮沸而得香醋。著名的有镇江香醋。3、以麸皮为主料，用糯米加酒或蓼汁制成醋母进行醋酸发酵，醋醅陈酿一年，制得风味独特的麸醋。著名的有四川保宁（今阆中县）麸醋及四川渠县三汇特醋。固态发醋法酿醋，由于是利用自然界野生的微生物，所以发酵周期长，醋酸发酵中又需要翻醅，劳动强度大。目前已采用纯种培养麸曲作糖化剂，添加纯种培养酵母菌制成的酒母，进行酒精发酵，再用纯种培养醋酸菌制成的醋母，进行醋酸发酵而制得食醋。也有采用酶法液化通风回流法，将原料加水浸泡磨浆后，先添加细菌-淀粉酶加热液化,再加麸曲糖化,糖化醪冷却,加入酒母进行酒精发酵,待酒精发酵结束,将酒醪、麸皮、砻糠与醋母充分混合后，送入设有假底的醋酸发酵池中，假底下有通风洞，可让空气自然进入，利用自然通风及醋回流代替翻醅，并使醋醅发酵温度均匀，直至成熟。酶法液化通风回流法的产量，出醋率和劳动生产率均比传统法高。(2) 液态法酿醋工艺 传统的液态法酿醋工艺有多种。1、以大米为原料，蒸熟后在酒坛中自然发霉，然后加水成液态，常温发酵3-4个月。醋醪成熟后，经压榨、澄清、消毒灭菌，即得色泽鲜艳、气味清香、酸味不刺鼻、口味醇厚的成品。著名的有江淅玫瑰米醋。2、以糯米、红曲、芝麻为原料，采用分次添加法，进行自然液态发酵，并经3年陈酿，最后加白糖配制而得成品。著名的有福建红曲老醋。3、以稀释的酒液为原料，通过有填充料的速酿塔内进行醋酸发酵而成，如辽宁省丹东白醋。液态发酵法制醋也渐采用深层发酵新工艺。淀粉质原料经液化、糖化及酒精发酵后，酒醪送入发酵罐内，接入纯粹培养逐级扩大的醋酸菌液，控制品温及通风量，加速乙醇的氧化，生成醋酸，缩短生产周期。发酵罐类型较多，现已趋缶使用自吸式充气发酵罐。它于50年代初期被联邦德国首先用于食醋生产，称为弗林斯醋酸发酵罐，并在1969年取得专利。日本、欧洲诸国相继采用。中国自1973年开始使用。食醋品种虽然繁多、工艺条件各具特色，但食醋酿造的基本工艺流程包含淀粉糖化、酒精发酵和醋酸发酵三个阶段。具体工艺流程如下：醋酸菌醋酸发酵大米可发酵糖酒精醋酸CO2糊精等图1、醋酸基本工艺流程5、液态法食醋质量标准(1) 感官指标 具有本品种固有的色泽; 有正常酿造食醋的滋味。(2) 理化指标项目指标粮食醋其他醋总酸（以醋酸计）含量/(g/100ml)3.5无盐固型物含量/(g/100ml)1.51.0一、设计任务年产5000吨发酵食醋发酵车间设计二、生产方案和流程的确定（一）生产方案的确定空气自吸式发酵罐液态深层发酵制醋。空气自吸式发酵罐液态深层发酵制醋是将淀粉质原料经液化糖化、酒精发酵后，在空气自吸式发酵罐中完成液体深层醋酸发酵的新工艺。具有原料利用率高，机械化程度高，生产周期短（8d），产品质量稳定等优点。深层发酵法是向酒醪中接入醋酸菌后，采用向醪液中通入空气的方法来增加醪液中的溶解氧，使醋酸菌的醋酸发酵正常进行。发酵设备多采用自吸式发酵罐，发酵品温3235，发酵时间在3d左右。原料选择大米，长江以南习惯以大米为原料，且大米制出来的醋口感较好。（二）生产流程的确定1. 菌种选择糖化选择黑曲霉。酵母菌（AS 2.399）酵母菌培养的最适温度为2530度。醋酸菌（许氏醋酸杆菌 A. schutzenbachii）生长繁殖适宜温度2527.5度，不耐热，最高生长温度37度，最适PH3.56.5，耐食盐为1%1.5%。该菌产酸高达11.5%，对醋酸没有进一步的氧化作用。2. 原料预处理（1）原料的筛选和除杂1.剔除霉变的原料，除去附着的尘土和杂物。2.对带有皮壳的原料去除皮壳。3.处理方法采用分选机筛选和水洗涤。（2）粉碎与水磨扩大原料同微生物酶的接触面积，使有效成分被充分利用，大多数情况下先粉碎，然后再进行蒸煮、糖化。粉碎常用设备是：锤式粉碎机、刀片轧碎机、钢磨。技术要点：细度 大三角瓶纯种扩大培养 - 醋酸菌种子液态培养试管培养基：葡萄糖0.3g、酵母膏1.0g、碳酸钙2.0g、6%酒液100mL、琼脂2.02.5g。三角瓶培养基：酵母膏1%、葡萄糖0.3%、水100mL、浓度为95%的酒精4%。种子液态培养：4%8%酒精发酵醪，醋酸种子酸度2.5%3.0%，接种量5%10%；通风量0.1m/(m.min)；培养温度3235；培养时间24h。醋酸菌种子培养与其它微生物种子培养一样，除了使微生物繁殖以外，还有一个驯化作用，即使微生物适应于生产的要求，所以，在种子培养的前阶段，培养基的组成、培养条件多采用较优的工艺参数；而在培养的后阶段，多采用接近于生产要求的工艺参数。2.醋酸发酵技术要点：酒液酒度5%6%；醋酸发酵液酸度4.5%5.5%。工艺参数：接种温度2830；发酵温度3234，最高不超过 36；前期通风量 0.07m/(m.min)、中期0.10.12 m/(m.min)、后期0.08m/(m.min)；培养时间6567h。醋酸菌含有乙酰辅酶A合成酶，能催化醋酸氧化，反应生成的乙酰辅酶A进入三羧酸循环，进一步氧化为CO2和H2O。其反应式如下：所以，醋酸发酵成熟时就要加入2%5%的食盐，以抑制醋酸菌的活性。在液态深层发酵中，可采用分割法去醪进行“半连续式发酵”，即取出1/21/3量的发酵成熟醋醪，同时补加相应量的酒醪。这一方法即可以省却醋酸菌种培养工序，且发酵罐中的菌种在醋酸发酵过程中已得到充分驯养，所以，又有利于提高原料的利用率和产品质量，但分割法去醪应注意无菌操作。6. 压滤技术要点：滤渣水分70%；酸度0.2%。工艺参数：发酵醪预处理，55摄氏度维持24h；压头醋、二醋用泵输送，泵压2*89KPa，压净停止。压清醋用高位槽自然压力。7. 配兑和灭菌技术要点：灭菌后成品醋酸3.5%；醋液红褐色，无混浊，无沉淀，无异味；细菌数5000个/ml。工艺参数：灭菌温度80，维持适当时间；苯甲酸钠添加量为0.06%0.1%。8. 陈酿一是生醋经日晒夜露陈酿数月；二是将成品醋封坛陈酿。陈酿过程中，因美拉德反应等，食醋的色泽加深；因氧化反应，食醋中的乙醇含量降低，而乙醛含量有所升高；因酯化反应，食醋中的酯含量明显升高；因缔合作用，食醋的风味变得醇和，醋酸的刺激性减弱。（三）生产工艺流程示意图图2、醋酸生产工艺流程示意图三、工艺设计及计算 彩虹的开始了（一）工艺技术指标及基础数据2.1 生产方案 1、生产规模 年产食醋（含醋酸50g/L）9万吨 2、生产工艺 液态深层发酵法3、产品质量 符合GB2719-81 食醋卫生标准 符合ZBX66004-86 食醋质量标准 4、工作制度 全年发酵工作日276天，三班作业，连续生产，投料276批/年2.2 主要技术参数1、淀粉酒精，转化率75%2、酒精醋酸，转酸率90%3、原料成品醋，6.72kg/kg（以淀粉质主粮计）2.5 物料衡算2.5.1 生产能力年产食醋90000吨，发酵投料为276批，因此每批料应产醋量按主料计每kg原料产醋6.72kg，每批投主料量2.5.2 物料计算1、液化、糖化工序（1）原料加水量（加水比为1:4） （2）粉浆中干物质的质量分数（原料含水量以12%计） （3）-淀粉酶用量（2000u/g中温-淀粉酶用量按5u/g计） （4）无水氯化钙用量 （5）碳酸钠用量（调pH） （6）粉浆体积V1(17.6%干物质含量的粉浆，密度约为1.07kg/m3) （7）粉浆比热容C，按下式计算： 式中 C0淀粉质比热容，为1.55KJ/(kg.K) 粉浆干物质含量，% C水水的比热容，4.8KJ/(kg.K) （8）液化蒸汽消耗量D，按下式计算 式中 m粉浆质量，kg C粉浆比热容，3.72KJ/(kg.K) T1粉浆初温， T2粉浆灭酶后温， I加热蒸汽焓，0.3MPa表压时为2738KJ/kg 加热蒸汽凝结水焓，273K时为419 KJ/kg （9）液化醪质量 （10）液化醪干物质质量分数，已知原料含水量为12%，淀粉酶、氯化钙、碳酸钠含水量忽略不计 （11）液化醪体积V2（15.67%干物质的醪液，密度为1.06kg/L） (12)液体曲用量（液体曲化糖力为480u/mL，用量为120u/g，原料含淀粉量按70%计算） （13）糖化醪质量m2（含酒母醪，液体曲密度按1.0kg/L计） （14）糖化醪体积V32、酒精发酵工序（1）每批原料产酒精量 （2）发酵中CO2产生量（按酒精发酵反应式计） （3）CO2带出乙醇量（按经验数据1.2%计） （4）发酵中逸出水分 （5）酒精发酵成熟醪总质量m3（含醋母醪量） （6）成熟醪体积V4（成熟醪密度为0.99kg/L） （7）成熟醪中的酒精体积分数（酒精d204=0.7893） 3、醋酸发酵工序 （1）醋酸发酵醪质量m4（含醋母醪量），发酵时添加蛋白水解液(d204=1.2)1000kg （2）醋酸发酵醪体积V5，V5= V4+蛋白水解液 （3）每批原料产醋量（酒精理论产醋值1.304，实际转酸率按90%计） （4）醋酸发酵时生成的水（按醋酸发酵反应式计） （5）醋酸成熟醪总质量m5 （6）成熟醪容积V6（成熟醪密度1.01kg/L） （7）成熟醪醋酸的质量浓度 （8）配兑消毒后成品中醋酸量，按经验数据：压滤损失4%，消毒运输损失为1.2%，共损失为5.2%，则醋酸量 （9）配兑呈5g/dL醋酸含量的成品醋的容积V7 （10）成品醋总质量m6（成品醋密度为1.025kg/L） （11）原料出醋率第三章 设备选型3.1 选型原则（1）符合工艺要求，既有先进性又要成熟可靠（2）尽可能连续化和自动化以提高工效，降低劳动强度（3）有利于节能、降耗、节约投资。（4）结构简单，便于加工、维修和管理（5）耐腐蚀、低噪声、易清洗和消毒3.2 设备设计与选型3.2.1 酒精发酵车间（1）生产能力的计算每天生产食醋需糖化成熟醪体积为267043.05L，即267m3，酒精发酵罐填充量85%，则每天需要酒精发酵罐的总容积为： （2）酒精发酵罐数量N1的确定现取公称容积200 m3的发酵罐，实际容积为230 m3。现取公称容积230 m3发酵罐11个。（3）主要尺寸计算 则有 ，取5m。查表得封头高： 封头容积：3.2.1 醋酸发酵车间 （1）生产能力的计算每天生产食醋需酒精发酵成熟醪体积270736.28L，即271m3，醋酸发酵罐填充量70%，则每天需要醋酸发酵罐的总容积为： （2）醋酸发酵罐数量N2的确定现取公称容积为200 m3的自吸式醋酸发酵罐，实际容积为230 m3。现取公称容积230 m3发酵罐14个年产醋酸醪液体积：实际产量验算：富余量为： 能满足产量要求。 （3）主要尺寸的计算现按公称容积200 m3的发酵罐计算，封头折边忽略不计，以方便计算。 则有 ，取D=5m。查表得封头高：封头容积： （4）冷却面积的计算 平均温差 采用竖直列管换热器，取经验值生产1t食醋每小时放出热量对公称容积200m3的发酵罐 （5）转子和定子的确定实践表明，三棱叶转子的特点是转子直径较大，在较低转速时可获得较大的吸气量，当罐压在一定范围内变化时，其吸气量也比较稳定，吸程也较大，但所需的搅拌功率也较高。三角叶叶轮直径 ，取1.8m叶轮外径 浆液长度 交点圆径 叶轮高度 挡水口径 导轮内径 簧叶角 =45间隙 =2mm叶片厚 b=5mm叶轮外缘高 导轮外缘高 （6）设备结构工艺设计发酵设备的材质选择，优选考虑的是满足工艺要求，其次是经济性。本设备采用A3钢制作，以降低设备费用。（7）壁厚计算计算法确定发酵罐的壁厚S： 式中 D设备公称直径240cmP设计压力，P=0.4MPaA3钢许允应力，=127 MPa焊缝系数，0.51之间,取=0.7C壁厚附加量，带入数据得： ，取10mm查表知直径5m厚10mm筒高10m，每米高重596kg 封头壁厚计算，标准椭圆封头的厚度计算公式如下： 式中 P=0.4MPa D=400cm =127MPa ，取10mm（8）支座设计本设计选用支撑式支座。总结有了很深刻的认识。更加锻炼了自己查