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课程论文年产10000吨柠檬酸发酵工厂设计李婷婷，食品科学与工程专升本班，51206090010摘 要:柠檬酸是食品与化工行业所必需的重要化工原料，被广泛应用于食品与化工行业。当今柠檬酸的主要获取方式是微生物发酵，尤其是黑曲霉发酵。我国的柠檬酸产量达到 50 万吨，柠檬酸及柠檬酸盐出口总量约 40 万吨，年均出口增长量为 20%30%。本项目采用玉米为原料，主要沿用玉米粉碎液化去渣后的淀粉乳进行发酵的工艺，这一工艺利用现用菌种不变，保持了现在的发酵水平，而于此同时由于玉米渣的再利用，大大降低了生产成本。另外，以玉米为原料，可使废水的排放量大幅度减少,有机污染物浓度也大幅度降低。在提取工段,本项目采用国内先进的“吸交法”提取柠檬酸工艺，提取率由原来的 75%左右提高到 80%，提高了产品质量，降低了生产成本。关键词：柠檬酸，发酵，车间，设计1厂区总平面设计1.1厂区总平面设计原则严格按生产流程布置生产车间、实验室科研室等重要部门，分类集中化，合理化布局，以提高生产效率，缩短各个生产部门之间的距离，降低运输费用与物料处理过程的程序复杂性；人流、物流合理地加以组织安排，力争独立化，避免相互之间的交叉与权责不分的情况，围绕高生产负荷部门建立动力部门；将生产区和生活区严格分开，提高工人的生活水平，提高工人的工作效率；厂区总平面设计按照国家的相关规定严格执行。1.2厂区总平面设计工厂分为生活区和生产区。生活区设有公寓、食堂等基本设施。生产区设有生产部门，包括玉米粉碎车间、液化车间、发酵车间、提取车间、精制车间、包装车间、成品车间、副产品车间等；辅助生产部门，包括原料仓库、空压站、制冷站、给水站、配电站、储水池、污水处理中心、沼气处理中心等。2生产工艺设计2.1 生产方案本项目采用玉米为原料，玉米粉碎调浆后利用喷射液化工艺进行玉米浆的液化，液化醪过滤除渣得液化清液，液化清液再进入发酵工段。在提取工段，本项目采用国内先进的“吸交法”提取柠檬酸工艺。2.2 工艺流程以玉米为原料，经粉碎、调浆、液化、过滤、发酵、阴离子交换、解脱液煮沸、脱色、阳离子交换、二次脱色、蒸发浓缩、结晶、离心分离、干燥后得成品。工艺流程如下：2.3 基本步骤2.3.1 原料预处理将原料玉米除杂后进行粉碎，60 目过筛得合格的玉米粉。2.3.2 玉米粉调浆和液化向调浆罐通过物料输送机输送玉米粉；按质量比（玉米粉：水）为 1:4.5 的比例加入 65的水，利用碱性盐 Na2CO3溶液调节浆料 pH 在 5.07.0 范围内，并加入 0.1%氯化钙，作为淀粉酶的保护剂和激活剂。最后加入粉耐高温-淀粉酶（酶活力 20000U/g，加入量为 10U/g 玉米粉），混合均匀，将物料打入高压喷射器，在喷射器中粉浆和蒸汽可直接瞬间接触，出料温度 105。从喷射器中喷出的液料，经过冷却降温系统使液料温度降至 97，并将其倒入层流罐保温 30分钟，保温罐温度维持在 95。然后进行二次图2.1年产10000吨柠檬酸工艺流程图喷射，在第二只喷射器内液料和蒸汽直接接触使温度迅速上升至 130，并在维持罐内维护 8 分钟左右，彻底杀死耐高温-淀粉酶，进一步凝固聚沉蛋白质，对处理后的无聊进行过滤处理，滤液经过真空闪急冷却系统进行冷却，然后将液料打入二次液化罐，使液料温度降低到 95，在二次液化罐内加入耐高温-淀粉酶（酶活力为 20000U/g，加入量为 8U/g 玉米粉），液化 30 分钟，碘试合格后，结束液化。2.3.3 发酵液化醪过滤除去玉米渣得液化清液，温度降至 37后打入发酵罐，同时按以下质量体积比向发酵罐内加入已灭菌的 0.9%尿素、0.1%KH2PO4、0.25%MgSO4和 10%种子液。发酵温度控制在 34，pH6.7 左右，发酵周期约 72h。发酵结束后，发酵液经真空转鼓过滤机除去菌丝体得发酵清液，菌丝体是优质饲料的原料，发酵清液进入提取精制工段。2.3.4 提取和精制发酵清液经过 8310阴离子交换吸附树脂将柠檬酸和其它杂质分离（交换过程中，改变吸附交换柱内压力，调压力为 4.9106Pa 至放空，反复2到3次)，然后用10%的NH4OH 解脱得解脱液。向解脱液中加碱液调节 pH9.0，在常压下加热煮沸 10 分钟，取出后加入粉末状活性炭（5g 活性炭/L 解脱液），过滤除去有机杂质和部分色素等残渣获得清液。清液经阳离子交换树脂去除氨根离子，然后进行二次脱色得到 18%的柠檬酸液。将此纯净柠檬酸液经蒸发浓缩后进行结晶，然后用离心机分离母液和晶体，母液返回再次吸附交换，晶体进行干燥得合格的柠檬酸。2.3.5 成品包装干燥合格的柠檬酸晶体经包装后运送成品库。3工艺计算3.1 物料衡算3.1.1 全厂总物料衡算主要内容（1）原料消耗的计算，主要原料为玉米，其他辅料有耐高温-淀粉酶、CaCl2、尿素、MgSO4、KH3PO4 黑曲霉等。（2）中间产品计算，主要有液化醪、发酵液量的计算 。（3）成品、副产品及“三废”计算。3.1.2 工艺技术指标和基础数据（1）生产规模：年产 10000t 柠檬酸。（2）生产方法：玉米粉液化过滤后发酵。（3）生产天数：300 天。（4）产品质量：达到英国药典、美国药典标准，柠檬酸含量为 99.8%。（5）副产品年产量：玉米渣 4000t，菌丝体 6800t，(NH4)2SO45800t。（6）玉米淀粉含量为 70%，水含量低于 13%。（7）玉米浆液化添加 0.1%CaCl2，耐高温-淀粉酶（酶活力为 20000U/g），用量为 8U/g 玉米粉。（8）柠檬酸发酵向发酵液添加 0.9%尿素、0.1% KH3PO4、0.25% MgSO4。（9）实际糖酸转化率为 94%、成品收得率为 88%、产酸率为 14%、发酵周期为 72h。3.2 原辅料消耗及中间产品衡算以 1000 kg 柠檬酸为例，原辅料消耗和中间产品衡算如下：3.2.1 总反应式（2）生产 1000 kg 无水柠檬酸理论淀粉消耗量：1000(162192) 843.75kg（3） 生产 1000kg 成品无水柠檬酸理论淀粉消耗量：843.7599.8%842.06kg 99.8%无水柠檬酸达到英国药典标准，柠檬酸含量为 99.8%。（4）生产 1000kg 无水柠檬酸实际淀粉消耗量：842.0686%1002.45kg（5）生产 1000kg 无水柠檬酸玉米粉的消耗量：1002.4570%1432.07kg（6）耐高温 -淀粉酶的消耗量：1002.4518200000.902kg耐高温-淀粉酶酶活力为20000U/g，用量为8U/g 玉米粉。3.2.2 液化醪量的计算玉米粉和水按 1：4.5 的比例混合，加入 0.1% CaCl2，有关计算如下：（1）玉米浆的量：1432.075.57876.39kg（2）CaCl2的用量：7876.390.1%7.88kg（3）干物质含量为 B087%的玉米粉比热容C0为：4.18(10.7B0)1.63kJ/(kgk) 玉米浆干物质的浓度 B1为：87（5.510015.82%液化醪的比热容为：C1B1C0(1.0B1)CW15.82%1.63(1.015.82%)4.18 3.78kJ/(kgk) CW水的比热容，kJ/(kgk)为简化计算，假定液化醪的比热容在液化过程中维持不变。（4）经第一个喷射液化器加热后玉米浆的量：7876.397876.393.78（10560）（2748.91054.18）8456.38kg2748.9喷射液化器加热蒸汽（0.5MPa）的焓，kJ/kg（5）第一个真空冷却器出来的玉米浆的量：8456.388456.383.78（10597）2264.08343.43kg2264.0真空冷却温度 97下的饱和蒸汽的汽化潜热，kJ/kg（6）层流罐出来的玉米浆的量：8343.438343.433.78（9795）2269.18315.63kg2269.1层流罐维持温度 95下的饱和蒸汽的汽化潜热，kJ/kg（7） 第二个喷射加热器出来的玉米浆的量：8315.638315.633.78（13095）（2748.91304.18）8814.45kg2748.9喷射液化器加热蒸汽（0.5MPa）的焓，kJ/kg130灭酶温度（8）高温维持罐出来的玉米浆的量：高温维持时间是8min，蒸发量每小时8%，故蒸发水分量：8814.458%8/6094.02kg故流出量：8814.4594.028720.43kg（9）第二个真空冷却器出来的玉米浆的量：8720.438720.433.78（13097）2264.08239.96kg2264.0真空冷却温度 97下的饱和蒸汽的汽化潜热，kJ/kg（10）液化罐出来的液化醪的量：8239.968239.963.78（9795）2269.18212.51kg2269.1层流罐维持温度 95下的饱和蒸汽的汽化潜热，kJ/kg（11）液化清液的量：液化醪经过滤除去玉米渣 450kg，得液化清液 7762.51kg。3.2.3 发酵液量的计算成品柠檬酸中柠檬酸的量：100099.8%998kg发酵液中柠檬酸的量：99888%1134.09kg发酵液总体积：1134.0914%8100.65m3尿素耗量：8100.650.9%72.91kgKH3PO4耗量：8100.650.1%8.10kgMgSO4耗量：8100.650.25%20.25kg3.2.4年产10000吨柠檬酸工厂总物料衡算表表3.1 物料衡算表序号名称每吨产品产（耗）量/t时产（耗）量/t日产（耗）量/t年产（耗）量/t1成品酒精111.4133.33100002玉米1.526.3550.7815234.83-淀粉酶0.90.0010.039.024CaCl20.0080.010.2678.85KH3PO40.0080.010.68816MgSO40.020.03262.55202.57玉米浆7.8810.942.4378763.98尿素0.070.1273.75729.19液化醪8.2111.41258.7582125.110液化清液7.7610.781577625.111玉米渣0.450.63270.02450012发酵液8.111.252781006.513种子液0.811.1315.1781006.514H2SO40.460.634.84455015液氨0.150.24.8414524其他4.1 生产车间平面布置4.1.1 生产车间工艺设计生产车间工艺布置应根据以下原则：（1）严格按照生产工艺流程合理设计与安排设备的布置，对于某些具有特殊要求的设备可按照实际生产需求进行安装。（2）考虑到同一生产流程中生产产品的多样性，在进行生产车间设备布置时，要考虑到各个设备的机动灵活性，便于设备的更换、调节与安装。保持设备与设备之间以及设备与建筑物之间的距离，确保设备之间不相互影响，也便于安全检查与设备的维护。（3）生产车间与其它车间团结协作，保证生产通畅，避免重复往返。合理安排生产车间进料口、产品出口以及各种废料的排出口，人员进出与物料的进出严格独立，不交叉影响。人流通道、物流通道、包装材料通道要流畅，尽量避免交叉、往复、污染。（4）确保生产卫生和生产安全性。（5）应注意车间的光线，空气、升温、降温等设施。（6）要对生产辅助用房或空间留有充分的面积。4.1.2 生产车间非工艺设计（1）门生产车间的门，应设置防蝇、防虫的装置，如水幕、风幕、暗道或飞虫控制器。（2）排汽若车间内有水蒸气制备设备，则需对车间进行机械强制通风，可在蒸汽设备附近或设备上部的屋顶开窗口，如果蒸汽产生量大，则多用轴流风机进行排汽。（3）采光车间高度 6.5m，侧窗的采光面积足以达到一定的采光系数，所以不需在屋顶上开天窗。维持车间的采光系数在 0.20.3 之间。车间内侧窗窗台高度取 1m1.2m。采用普通玻璃窗，并附带一层纱窗。（4）地坪保证生产车间耐受酸碱腐蚀以及车轮的碾压与冲撞。车间地面设计为水磨石地面，生产车间设有明沟排水，将生产车间的废水和腐蚀性介质排除。车间地坪采用石板地坪，其优点是能耐腐蚀，不起灰。4.1.3 车间设计对卫生的要求（1）车间地址选择的卫生本生产车间应设在市郊无污染区，避免与发电厂、化肥厂、水泥厂等相邻。（2）车间内部总平面布局的卫生所有会产生污染的车间，都要与重要的生产车间相隔离，这样才不会发生内部污染的情况，符合卫生要求。（3）车间内部建筑的卫生厂区厕配备冲洗设备和与消毒设施。其墙裙应砌白色瓷砖，2 米以上，顶角、墙角应是弧形，窗台是坡形，地面要易于清洗消毒，并保持清洁。垃圾及下脚料应在远离发酵区集中堆放，必须当天清理出厂。与物料相接触的机器、输送带、工作台面等均应采用不锈钢材料，制作车间内应有对设备及工具进行消毒的设施。（4）车间防鼠设施车间门窗结构要密封性好，门缝小，所有出入口，安装上洞口小于 1cm的金属防鼠网。地基的深度应深入地下 0.50.8m，地面上 60cm 之下部分均用坚固砖、石等鼠类不能进入的材料砌成。墙身表面光滑，墙角设计成一定弧形。（5） 玉米仓库的卫生仓库光照充足，通风良好，环境干燥。库内设有温湿检测设备、降温吸湿设备，以便随时监测温度和湿度。定期清洁、消毒，保持库房整洁和卫生。（6）生产人员个人卫生在特定时间，生产车间的工作人员，穿戴白色工作服和鞋帽，操作前要洗手，不得穿工作服进厕所。个人行为举止和工作方法适当，严禁在车间吸烟、吃零食，随地吐痰和乱扔废弃物，在无保护半成品前咳嗽、打喷嚏等。注意职工人员的个人卫生。生产车间不得带入或存放个人生活用品。加工产品时，为避免对产品造成污染，工人严禁携带手表、首饰等进入车间。（7）原辅材料的卫生原辅材料要符合有关标准规定，经检验合格后才投入生产，原辅料仓库清洁卫生。4.2 公共工程与辅助工程4.2.1 公共工程（1）给排水工程清洗用水采用自来水。储水设施为封闭式，防止污染储水池；储水设备定期清洗、消毒；清洗用水为经活性炭过滤器处理的自来水锅炉用水为经过软化处理的自来水；发酵用水采用经离子交换树脂处理的自来水。（2）供汽工程工厂内设有锅炉房，提供杀菌、加热等生产用蒸汽，锅炉燃料为煤炭和沼气两种。（3）供电工程工厂内有配电站，为工厂提供工业用电，厂内同时设有应急发电设备。（4）压缩空气系统工厂内设有空气压缩站，无菌空气的制备流程13：吸风塔粗滤器空气压缩机空气冷却器除水设备空气总过滤器发酵车间空气总管分过滤器发酵罐。（5）采暖通气系统锅炉房为全厂供暖，在发酵车间和成品车间配有通风机和排气系统。（6）冷却水系统冷却水采用自来水，用于发酵罐冷却的水先用来预热待杀菌的物料，最后在蓄水池中经自然冷却后循环利用。（7）制冷工程工厂内设有制冷站，用于生产过程中冷却介质的制备和柠檬酸成品的冷藏。4.2.2 辅助工程（1）项目需土建的辅助系统原料仓库、成品库、办公楼、科研楼、餐厅、车库、厕所、职工公寓、警卫室、锅炉房、制冷站、配电站、机修车间、空压站、污水处理中心、沼气处理中心等。（4）运输设备厂外运输工具主要为载重卡车，厂内运输主要为升降式手推车、电瓶搬运车。车间内运输主要为泵、带式输送机及手推车等。4.3 三废处理与综合利用4.3.1 环境保护（1）环保治理工艺设计原则本着绿色环保，和谐发展的原则，采用节能环保，低能低耗的新处理技鼠。在保证处理效率的前提下采用国际成熟先进的生产工艺，确保达标排放。工艺设备低廉，性能稳定，可操控性强，管理方便，便于更换与维修。在保证质量和安全的前提下，尽量减少不必要的设施，节省投资，减少占地面积。（2）污染源和污染物废气：玉米粉尘与供热燃煤尾气。噪音：玉米粉碎装置机械传动设备较多，噪音较大，但均低于 80 分贝。废水：生产过程主要废水产生自提取工段，其有机物污染程度约10000mgCOD/L。（3）治理措施废气：玉米粉碎过程中产生的粉尘，一是采用高效除尘设备回收粉尘；二是加强厂房内的通风，使屋内空气粉尘含量达到标准。噪音：建设工程中生产装置产生噪音的场所不多，噪音量也不大，最大也在80 分贝下。拟采用以下措施：对产生噪音较大的设备采取在机座和设备基础之间装设减震器；对产生噪音较大的风机等设备，在设备进出口设软性接头与进出口管道相连；对产生噪音的场所，设置密封操作间，以减轻噪音对操作工人的影响。废水：本工程建设污水处理系统，将生产中产生的废水综合利用或经处理后达到国家标准排放。4.4.2 废渣利用玉米糖渣含有丰富的营养物质，经测定其粗蛋白的含量在 30%以上，是很好的饲料添加剂，目前市场价在 1100 元/吨左右，1t 玉米出商品饲料 130kg 左右。每吨柠檬酸可生成 0.4t 玉米渣，经干燥后作为饲料添加剂出售。黑曲霉菌丝体中含有大量的营养物质和多种酶类，营养成分更容易吸收，消化吸收率可达 90%左右。所含柠檬酸是有机酸，是使用最广泛、效果最好的饲料酸化剂，可使畜禽消化道内构成良好的微生物体系，增强营养物质的合成和对胃肠的保护，从而使畜禽快速生长。工厂引进烘干生产线烘干菌丝体，每干品的烘干成本仅 40 元，干品可卖到640 元/吨，较卖湿糟净增 300 元/吨，且消除了环境污染。4.4.3 废水处理柠檬酸生产过程中排放多股废水，包括洗滤布水、刷灌水、浓糖水、再生冲洗水等，含有大量的可溶性有机物，不含有毒有害物质，能够很快被环境中的微生物降解。每吨柠檬酸约生成废水 20m3，废水中含大量的有机酸、糖、蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素等有机物质（10000mgCOD/L 左右）。为了减少对环境的污染，本厂采用先进的 MIC 反应器厌氧法结合好氧法对废水进行处理，其工艺流程如下：图4.1污水处理流程图4.4.4 沼气处理和利用废水厌氧过程中产生大量沼气，每吨废水可产生5.43m3的沼气。厂内燃气锅炉专门对沼气进行利用，其回收价值每年可达 20余万元，解决了部分电耗与热耗。沼气处理和利用流程图如下：图 4.2沼气处理流程图5结论本项目采用玉米为原料，主要沿用玉米粉碎液化去渣后的淀粉乳进行发酵的工艺，这