3万吨／年柠檬酸项目的工艺设计.doc

3万吨 年柠檬酸项 目的工艺设计 严 福 红摘 要 本文从柠檬酸及其用途，总体工艺建设方案，原料及其处理，发酵及醪液处理工艺。粗提与精制工艺蒸发、结晶、分离、干燥等几个方 面，简介工艺设计中的基本方法。 关键词 柠檬酸 无水柠檬酸 工艺设计 玉米深加工本工程的产品有两种： 无水柠檬酸与一水柠檬酸。 在这两种产 品中 ， 无水 柠檬酸是 目前国际市场比较紧缺的化工产品之一 。 在医药、 食品、 化妆品等各方面有着广泛的用途。 一、 总体工艺方案 目前， 在国内外柠檬酸生产技术路线中液体深层发酵、 钙盐提取技术仍是柠檬酸工业生产中的主导工艺路线 。随着生物工程及其下游技术的发展，精料、高糖发酵正成为柠檬酸发酵工艺的发展趋势 ，萃取工艺及色谱( 树脂) 分离技术也在柠檬酸提取精制工艺中得到进一步的研究 和发展。就目前柠檬酸发酵技术情况看，以玉米为原料的柠檬酸精料发酵已在国内得到较广泛的应用。玉米原料经初步的脱胚后，磨粉液化制成发酵精料，使后续产品回收率提高近 5个百分点 ， 同时为精料高糖发酵打下了较好的开发基础。另一方面，玉米处理的糖渣及胚芽等副产品收入又降低了玉米原料的成本。 在本工程的设计中，原料处理及发酵工艺的确定。既要结合当地原料特性，也要考虑甲方已有的技术实力，使其生产技术路线不仅适应以薯干为原料的生产需要，也满足以玉米作为精制原料生产的要求。因而采用了玉米干法脱胚粉碎或薯干直接粉碎调浆、液化( 玉米液化浆) 压滤、低压连续喷射灭菌 。液体深层发酵的工艺路线。 在提取精制工艺方面。溶媒法生产工艺因其生产技术、溶媒回收、生产成本、产品质量及产品的市场接受关念等多方因素，一直未形成大的工业生产方式，而色谱( 树脂) 分离技术却有一定发展。从 ME S S O公司与美国 A S T U( Ad v a n c e d S e p a r a t i o n T e c h n o l o g l e s l n c ) 公司对中国柠檬酸工程的技术报价资料看，利用 R e i l l e x H P树脂，采用I S E P连续法分离柠檬酸，在产品达标的情况下。具有生产成本低、三废排放少、生产过程简化等优势，但该装置对醪液中的残糖、胶体、蛋白质等有机杂质及阴阳离子等有一定限制， 对柠檬酸发酵醪液特性及预处理工艺有较高要求，其“可操作性必需通过现场使用原始发酵醪液试验后，方可得到证实。” 由于上述原 因， 并结合本项 目多方 面的具体情况， 综合权衡项 目的实施时限、 投资总量等多方因素， 本着工艺合理先进的原则 ， 在本工程提取工艺 中仍确定采用钙盐提取 的总体工艺方案。且在中和工艺上， 结合原料特点、 水资源状况、 污水排量及产品收率等情况 ， 在考虑机械输送 、 负压除尘 、 螺旋无级变频投料的前提下选用干法中和工艺。在后续工序上则以目前国内外普遍采用的离交纯化、蒸发结晶、分离干燥为其基本工艺过程 在生产过程的自动控制方面，以经济可靠为原则，利用医用抗生素大型发酵系统微机控制技术，结合行业特点，重点对发酵温度、P H值、罐压、通风量及机械运行状况实施微机监控管理；对蒸发结晶系统的蒸汽流量、罐温、罐压( 真空度)、物料回流量等实行 自动控制，从而使工程整体技术装备从硬件到软件， 都上升到一个新的技术水平。 综上所述 ， 在本工程的设计中， “ 工艺合理、 成熟 ， 设备先进 、 适 用， 投资成本低” 是我们确定生产技术方案中应 当遵循的最基本原则。根据这一原则， 确定本项目在原料处理以后 的工艺流程如 图 1 所示。 由图 1 可见 ， 其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及净化压缩空气进行发酵 ； 发酵液经升温 、 过滤处理后 ， 进入中和罐加 C a t 0 3中和处理 ； 再经过过滤洗涤，得到柠檬酸钙固体，送入酸解罐，再加 H 2 S O 4酸解，并加入活 性炭脱色 ； 然后，通过带式过滤机过滤、酸解过滤 ， 除去 GI S O 4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。二 、 原料及其处理 1 原料 目前 ， 国内外生 产柠檬酸 的基 本原料分为两类 ： 淀粉类与糖蜜类。 关于淀粉类原料 ， 过去 ， 我国长期仅仅使用各种薯干 ， 如 ： 马铃薯 、 甘薯 、 木薯等 ， 技术比较成熟 。事实上 ， 本 项 目的建设方 山西汾河生化有限公司 的前身 山西汾河制药厂 ， 就是以薯 干 为原料 ， 年产 5 0 0 0吨一 水 柠檬 酸( 采用 容 积 为 l O O m3的 机 械 通 风搅 拌 发 酵罐) 。自9 0年代起， 我国安徽蚌埠柠檬酸厂( 现安徽丰原生物化学集 团公司) 开始积极尝试使用玉米作为生产柠檬酸的淀粉原料， 并取得了成功 。以后 ， 这一技术就开 始逐 步在国内推广 。此次 ， 新 建的一期工程 ， 即 3 0 0 0 0吨 年柠檬酸项目， 拟以玉米与薯干作为主要原料 。 本项 目的建设地 属于 山西省洪 洞县 ， 是一个盛产玉米 的地 区。因此 ， 在山西建设柠檬酸厂， 不仅使本项 目的生产在原料上得到了可靠的保证 ， 还可以为当地粮食的深加工提供一个新的典范， 为当地经济的可持续发展开辟 了一条新的道路。 2 原料的处理 在本项 目中，对原料的基本处理工艺方法是：采用国内成熟的玉米干法脱胚粉碎，或薯干直接粉碎调浆、液化、( 玉米液化浆) 压滤。结合工厂的实际条件，原料的处理由备料车间来完成 。关于原料及其处理的基本工艺流程见图 2 。 1 )原料的运输与贮存 薯干原料 ， 由汽车 运至 厂 区， 经 过计 量后 ， 按包装形式的不同( 袋装或散装 ) ， 暂存于平仓中。存于平仓中的薯干， 采用平仓散装( 或者袋装) 贮存输送设备， 输送到备料车间内。 玉米原 料 ， 由汽 车运 至 厂 区进 行计 量 。由于玉米中含有各种较大的杂质， 因此， 计量后的玉米须经卸料斗 、 除铁 ， 再经刮板式输送 机及斗式提升机， 送至初清筛粗选后，进玉米简仓暂存。存于仓内的玉米， 通过钢板筒仓贮存机械设备， 输送到备料车间内。 2 )原料 的处理 根据发酵的要求 ， 对两种不 同的原料分别处理 ： 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 ； 对玉米 原料 ， 采用 干法脱胚 、 磨粉 、调浆 ， 液化 、 过滤 、 连续灭菌的生产方法。 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 3 c m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 一 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。以玉米为原料生产时 ， 根据 玉米精料发酵时原料 的要求 ， 将玉米原料 由简仓经刮板输送机 、 斗式提升机送至 比重去石机去石 ， 称量后进入玉米着水 机经缓 冲仓 中焖 料润湿 ，再进入玉米破渣机破碎， 比重选胚机分离皮、胚芽及粗粉。皮、 胚芽打包后， 可作为饲料或榨油原料外卖。粗粉进入磨粉机进一步磨粉， 粉料进入粉仓， 经计量、 调浆同时加入-淀粉酶升温液化后 ， 进行过滤 ， 滤液送至连消装置进行灭菌 ， 再送至发酵车间 ， 滤渣干燥后作为饲料原料外卖。 3 设备选型 以薯干为原料生产柠檬酸是我国特有的柠檬酸粗料发酵工艺， 原料预处理设备可全 部采用国产定型的粮食及饲料处理机械 ，生产过程简单、 处理成本低、 设备投资省。以玉米为原料的处理工艺， 根据 目前国内的玉米精料发酵时对玉米原料的处理要求， 并结合当地水资源相对缺乏和生产实际情况 ， 采用了干法脱胚处理工艺 。不仅满 足原料处理质量要求， 同时投资较省， 设备全部采用国产化干法玉米淀粉生产设备。三、 发酵及醪液处理工艺1 工艺与工程 根据总体工艺技术路线， 采用好气液体深层发酵技术生产柠檬酸， 成熟醪经处理过滤后， 为后续工艺提供符合要求的清洁醪液。 设计 由发酵车间来完成发酵工艺 ， 压滤车间完成醪液处理工艺。 2 流程简介 发酵及醪液处理工艺流程， 见 图 3 。现在结合图 3 ， 对发酵及醪液处理工艺的基本过程作一简介。 1 ) 、 发酵工序 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、 p h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 6 5小时( 种罐约 2 8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。 2 ) 、 醪液处理工序 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 ， 本工艺 中为提高设备利用率， 增设醪液贮罐， 通过热交换器 ， 及时将醪液加热至 8 0 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。3 、 设备选型 1 ) 、 发酵罐 目前在柠檬酸发酵 生产设备方 面， 大型气升式发酵罐仍处于试用攻关 阶段 ， 其 中有山东某厂试用生产的 l O O m3 内环式气升式发酵罐 ， 安徽 某厂试制攻关 的 3 0 0 m 3 半 气升式发酵罐， 及河南某厂的 l O O m 3 双环流式气升式罐 。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， 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 ， 并结合我院以往在柠檬酸工程中的设 计经验 ， 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 1 0 。 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4 0 0 1 1 1 3 。但结合 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， 本工程从生产的可靠性、 可实施性等方面考虑， 经计算 ， 本工程拟采用 放罐容积 约 2 0 0 m 3的新型通风发酵罐， 大罐直径 5 2 m， 简体高约1 2 m， 总容积 2 6 8 m 3 ， 搅拌功率约 1 5 5 k W。2 ) 、 醪液过滤设备 目前在柠檬酸醪液 预处理 中， 主要采用 的过滤设备有板框压滤 、 转鼓真空过滤 ， 带式真空过滤等。其中， 真空过滤设备能较好的实现连续化 自动生产 ， 但对 发酵原料特性具有较高的要求 ， 适 应于玉米等淀粉清醪液发酵处理。但 对 以薯 干为原料 的粗 料发 酵来说， 因其醪液中固形物含量高， 杂糖、 胶体菌丝蛋白杂质尚多， 过滤较为困难； 而若添加C A I S O 4 等助滤剂， 又加大了菌丝蛋白的回收利用难 度 ， 从而导致 了总收率的下降。因此 ， 对粗料薯干发 酵 ， 一般采用板框式压 滤过滤机直接处理。 从本项 目双重原料利用情况 考虑 ， 根据设备 的适应性 ， 我们选用 国产 3 0 0 m 2 全 自动箱式压滤机， 既可满足多种原料的适应性， 也可使设备大型化、 自动化方面具有一定 的水平， 在行业现有技术水平上有较大的提高。四、 粗提 与精 制工艺 1 工艺与工程 根据总体工艺方案， 确定本工序的生产方法为 ： 钙盐干法提取工艺 ， 即柠檬酸清醪液经 C a C O 3 ， 干法 中和 、 带式过滤 机过 滤 、 浓硫酸酸解、 离交纯化、 连续蒸发结晶、 离心干燥工艺。这些工艺合起来统称为粗提与精制工艺 。根据工厂的实际条件 ， 我们设计确定： 粗提与精制工艺统一由粗提与精制车间来完 成 。车 间包 括两个 工段 ： 提 取工段 、 精制 工段 。 提取工段所要 完成的工艺是 ： 中和及其过滤 ， 酸解及其过滤 ； 精制工段所要完成的工艺是 ： 离子交换 、脱色 、 蒸发 、 浓缩、 结晶、 干燥及包装。 2 流程简介 粗提、 精制车间的工艺流程分别见图4与图 5. 1 ) 、 提取工段 见图4 。由压滤工段送来的柠檬酸清醪液泵人中和罐 ， 在 8 0 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易碳的指标控制，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 8 0 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。 2 ) 、 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 。 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。 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 设备选型 中和工序过滤设备， 是控制本工序工艺成品质量及设备连续化、 大型化的关键所在。目前国内小型生产厂家， 多采用生产劳动强度大、 占地大 、 间隔式的抽滤捅式 过滤翻盘 ，少数中大型 厂引进 了转鼓 式真 空带式 过 滤机。结合我院在柠檬酸中和过滤技术上的经验， 对薯干原料工艺的中和过滤设备进行了改造 ， 对现有 国产 D I 型带式过滤机提出其特定的技术定货要求， 用加长、 强制洗涤型机组， 即可达到成品质量的易碳精制要求 ， 又可使设备实现连续化、 大型化， 使本工序整体技术水平接近国际先进水平 ， 在离交工序上 ， 采用国产离交设备硬件 ， 并在可能的情况下可考虑引进国际先进的阴离子交换树脂， 以进一步提高后续设备的整体选型及技术装备水平 。 目前 各类 连续 蒸发结 晶设 备在 我 国轻工 、 化工 已有广泛应用 ， 但在我国柠檬 酸行业多数连续式蒸发结 晶设备均为引进生产成套设施 ， 多数 中小型企业仍在采用外环式石 墨蒸发器 。本工程拟采用连续蒸发结 晶设备 ，并建议本期工程引进国外先进的蒸发结晶设备 ， 使本期工程达到国际先进水平 。 五 、 工程设计方案 根据上述基本工艺流程， 确定本项 目的工程设计方案如下。 1 全厂项 目组成 主要 生产 工程 ： 备料 车 间、 发 酵 车间、 压滤车间、 粗提与精制车间； 辅 助 生产 工程 ： 玉米 筒仓 、 原 料平仓、 成品仓库、 滤饼干燥及仓库、 碳酸钙仓库、酸碱站 、 地泵房、 水泵房 ( 含清水池及循环水池) ； 公用工程 ： 变配 电站 、 空压 站 、 冷 冻站、 污水处理站 、 蒸汽减压系统、 循环水 系统 、给排水系统、 锅炉房、 机修间； 厂区工程 ： 总图工程 ( 厂区排水 、 道路、 照明、 绿化、 门房、 围墙、 外管外线等) ； 其他工程： 综合办公楼、 科研办公楼、 汽车库、 办公室、 浴池。 2 产品质量标准 产品质量符合英国药典 B P 9 3标准， 根据需 要 可 以达 到美 国 U S P 2 3版， 和 中国G B 8 2 6 9 T - -1 9 9 8标准的要求。3 主要工艺设备 本项 目所选用的主要工艺设备见