年产53万吨一水柠檬酸工厂发酵罐的设计附发酵罐图工艺流程图.docx

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年产53万吨一水柠檬酸工厂发酵罐的设计附发酵罐图工艺流程图

年产5.3万吨一水柠檬酸工厂发酵罐的设计（附发酵罐图-工艺流程图）

❈生化工程课程设计❈

课题名称：

年产5.3万吨柠檬酸发酵工厂发酵罐设计

学生姓名：

冯佩全学号：

14801056

专业：

生物工程班级：

14生物本2

成绩：

指导老师：

杨立、龚乃超

设计时间：

2017年4月10日~2017年4月21日

年产5.3万吨一水柠檬酸工厂发酵罐的设计

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10%-15%、淀粉70%左右、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。

由于本设计为种子罐的工艺计算、设备选型。

通过全厂物料衡算、车间热量衡算，确定种子罐的设计和选型。

本设计还包括种子罐图，工艺流程图。

关键词：

薯干；深层好氧发酵；黑曲霉；柠檬酸；设备设计和选型

Abstract

Thisdesignusesfermentationofdryrawmaterials,justdrypowder,addwaterandslurry,directlyintothesmallamountsofα-amylaseliquefactionaftersterilization,coolingcanbeinoculatedfermentation.Preparationofcitricacidgenerallyusedrieddriedpotatoesasrawmaterial.Drywater10%-15%around70%,starch,proteinsaround6%.Proteinsinthedryrawmaterialscanbeusedasnitrogensourceforbacterialgrowth.Dryrawmaterialscontaininginorganicsaltssuchasiron,magnesium,potassium,calcium,selectionofAspergillusNigerC0527insensitivetotheseingredients,sonopretreatmentoftherawmaterialstodoit.Thisdesignusessubmergedaerobicfermentationofcitricacid,calciumsaltextractiontechnologytoproduce.BothofthesemethodsaremorepopularinChina,havesignificantpracticalexperience,easytooperate,risk.

Becauseofthisdesignforprocesscalculationofseedingtank,deviceselection.Throughthewholematerialbalance,plantheatbalance,determinethedesignandselectionofseedtank.

Thisdesignalsoincludesseedingtank,flowchart.

Keywords:

dry;deepaerobicfermentation;Aspergillus;citricacid;equipmentdesignandselection.

前言

1.1柠檬酸的性质和用途

柠檬酸（citricacid），学名为2-羟基-丙烷三羧酸，结构为分子量：

192.14，是一种重要的有机酸。

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。

结晶时控制适宜的温度可获得无水柠檬酸。

柠檬酸在自然界分布很广，主要存在于柠檬、柑橘、菠萝等。

柠檬酸具有宜人风味、高的水溶性和强的金属螯合力，长期以来占据食用酸味剂70%左右的市场份额，除可口可乐和纯果汁以外，几乎所有的饮料（包括固体和液体）都使用柠檬酸作为酸味剂，通常的添加量为0.25%-0.4%（m/m）。

柠檬酸在化学技术上可作化学分析用试剂，用作实验试剂、色谱分析试剂及生化试剂；用作络合剂，掩蔽剂；用以配制缓冲溶液。

此外，食品加工和奶制品也添加柠檬酸或柠檬酸盐。

据不完全统计，使用柠檬酸的食品或药品（如化学药的枸橼酸盐）约有上千种之多。

柠檬酸除用于食品和医药工业外，最大的用途是代替三聚磷酸钠作为洗涤剂的助洗剂，20世纪90年代初，国外还有人发现柠檬酸加入混凝土中可作为一种“减水剂”，并能提高混凝土的凝固强度。

可以认为，柠檬酸早已成为现代食品、医药业、日化行业及其他工业的通用原料[1]。

1.2柠檬酸的来源和发展情况

1784年瑞典科学家Scheele首次从柠檬汁中结晶出固体柠檬酸。

1860年意大利开始用添加石灰乳的方法从果汁中得到柠檬酸，从而进行了工业化生产。

直到20世纪初，柠檬酸主要是从柠檬中提取产量很低，主要应用于食品工业和洗涤剂，主要产地以意大利的西西里岛为主。

1893年德国微生物学者Wehmer发现一种青霉能够积累柠檬酸，但未能实现工业化生产。

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[2]。

我国柠檬酸发酵工业在1949年以前是个空白。

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。

近年来我国的檬酸的年出口量一直保持在10万吨以上[3]。

生产工艺

1.3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。

1.4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。

成品的柠檬酸。

淀粉糖

图1-1柠檬酸生产工艺流程示意图

1.5操作工艺

1.5.1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[4]。

1.5.2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、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[5]。

1.5.3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，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[7]。

1.5.4提取工段

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[8]。

1.5.5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[9]。

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[10]。

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[11]。

工艺计算书

1.6物料衡算

1.6.1工艺技术指标及基础数据

（1）生产规模：

53000t/a99.5%一水柠檬酸折合成48561.48t/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：

48561.48÷300=161.87t，取整数为162t；

（5）食用99.5%无水柠檬酸年产量：

162×300=48600t；

（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70%，水分13%；

（8）α-淀粉酶用量：

8U/g原料；

（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

；产酸率（即糖发酵液转化率）13%；发酵周期75h，发酵温度（35

1）℃，发酵通风量10V/（V发酵液.h）。

1.6.2原料消耗计算（基准：

一吨成品柠檬酸）

年产1.4万吨一水柠檬酸，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”：

无水柠檬酸需要量为：

53000÷1.09375=48561.48t/a

（1）生产无水柠檬酸的总化学反应式：

192

X1000

（2）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需的理论淀粉消耗量：

X=1000×（162÷192）×99.5%=839.53kg

（3）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际淀粉消耗量：

X÷（98.5%×95%×95%×98%×99%）=973.40kg

（4）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际薯干粉原料消耗量：

973.4÷70%=1390.57kg

（5）α-淀粉酶的消耗量：

应用酶活力为20000u/g的α-淀粉酶使淀粉液化。

α-淀粉酶用量按8u/g原料计算；有：

1390.57×103×8÷20000=0.557kg

1.6.3发酵醪量的计算

根据发酵液转化率为13%：

1.6.4接种量

接种量为发酵醪的10%，则：

8221.103×10%÷100%=747.373kg

1.6.5液化醪量计算

因为成熟蒸煮醪为：

8221.103-747.373-0.56=7473.17kg

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=13.03%

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20～30min以完成液化，进蒸汽压力保持在0.3～0.4MPa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%的薯干原料比热容为:

粉浆的干物质浓度为B1=12.54%

液化醪的比热容为：

C1=B1C0+（1.0-B1）Cw

=12.54%×2.1318+（1.0-13.03%）×4.18

=3.913kJ/（kg·K）

Cw-水的比热容取4.18kJ/（kg·K）

为简化计算，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+X×3.913×（100-50）÷（2731.2-100×4.18）=6889.4（kg）

解得X=6889.4（kg）

其中2731.2-喷射液化器加热蒸汽0.3MPa的焓

1.6.6成品柠檬酸

日产柠檬酸量为：

53000÷300=161.87t/d

即结晶液中柠檬酸的含量为：

162t/d

需精制液中柠檬酸含量为：

162÷98%=165.3061t/d

需分离液中柠檬酸的含量为：

162÷（95%×98%）=174.0064t/d

1.6.7淀粉质原料年产1.4万吨一水柠檬酸厂总物料衡算

即对生产48561.48t/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161.87t，取整数为162t

日产副产品为：

162×2%÷98%=3.31t

则日产总量为：

162+3.31=165.31t

实际年产量为：

食用柠檬酸量为：

162×300=48600t/a

副产物为：

3.31×300=993t/a

总产量为：

49593t/a

（2）主要原料薯干用量

日耗量：

1390.57×10－3×161.8776=229.876t

年耗量：

229.876×300=68962.79t

（3）根据以上计算，将物料衡算结果列于表3-1。

表3-１14000t/a料柠檬酸厂物料衡算表

物料名称

每吨产品耗物量

（kg）

年产1.4万吨耗物量

每天（t/d）每年（t/a）

食用柠檬酸

980

162

48600

副产品

20

3.31

993

薯干原料

1390.57

229.88

68962.79

淀粉

973.4

160.91

48273.95

α-淀粉酶

0.56

0.09

27.59

发酵醪

8304.14

1359.00

407699.60

接种量

830.41

123.55

37063.60

成熟蒸煮醪

7473.17

1235.36

370608.40

薯干浆量

6894.7

1139

341700.10

1.7热量衡算

1.7.1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=3.92kJ/（kg·℃）

由工艺可知:

经过喷射加热器温度由t1=50℃升温至t2=100℃

Q=C1×G醪液（100-50）

=3.92×6889.4×（100-50）

=1350322kJ

1.7.2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加热，

蒸汽耗用量计算公式为：

式中：

η——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1.55kJ/（kg·℃）；

水的比热容为4.174kJ/（kg·℃）；

加热蒸汽的热焓为2549.5kJ/（kg·℃）；

加热蒸汽的冷凝水的热焓为1250.60kJ/（kg·℃）

由前面的计算可知，日耗薯干粉量为229.876t/d

日耗淀粉量为160.92/d

日耗薯干浆量为1235.362t/d

则日耗调浆用水量为：

1235.362-229.876=1005.486t/d

日耗淀粉浆量为：

161.87+1005.486=1166.406t/d

淀粉浆中含水量为：

（1005.486÷1166.406）×100%=96.204%

淀粉浓度为：

（161.87÷1166.406）×100%=13.80%

由此可算得淀粉浆的比热容为：

C=C淀粉×X+C水×Y=1.55×13.8%+4.174×86.204%=3.816

式中：

X——淀粉浓度，13.8%

Y——水浓度，86.204%

（3）生产过程中蒸汽耗量的计算

①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180m3，初糖浓度是13g/100ml，灭菌前培养基含糖量19%。

其数量为：

180×13%÷19%=123.16t

灭菌加热过程中用0.3MPa，蒸汽（表压）I=2725.3kJ/kg，由维持罐（90℃），进入连消塔加热至130℃，糖液比热容3.69

。

每罐灭菌时间3h，输料流量123.16÷3=41.05t/h，

消毒灭菌用蒸汽量：

D=41.05×3.69×（130-90）÷[（2725.3-130×4.18）]=2.78t/h；

每天培养基灭菌用蒸汽量：

2.78×3×2=33.31t/d；

所有用罐空罐灭菌及相关管道灭菌用蒸汽量，据经验取培养基灭菌用蒸汽量的10%，则：

D1=33.31×10%=3.33t/d。

加热发酵醪所用的蒸汽量D6：

柠檬酸水溶液的比热容可按下式近似计算：

C=（0.99-0.66ω+0.0010t）×4.19

式中：

0.99——比热容kJ/kg·℃

ω——柠檬酸质量分数，ω=（174.0064÷1358.999）×100%=12.8%

t——温度，℃

代入上式，得：

C=（0.99-0.66×12.20%+0.0010×35）×4.19=3.94

那么由此可得D6为：

D6=GC（t1-t2）/（I-λ）η=1358.999×3.94×（85-35）÷（2549.5-1250.60）×95%

=58754.39t/a

（4）将发酵段蒸汽衡算列于表3-2。

表3-2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

33.31

1.39

9994.01

加热发酵醪

111.23

4.63

33367.68

空罐灭菌

3.33

0.14

999.40

合计

147.87

6.16

44361.09

1.7.3发酵过程中的冷却水耗量计算

已知发酵过程中的发酵热为25080kJ/m³·h，400m3的发酵罐一般装料量为360m3（填充系数为0.9），则

=

=166153.8462kg/h=3987.692t/d=1196308t/a

已知25m3的种子罐（填充系数0.7），装料量为17.5m3

W种子=4.18×6000×17.5÷[4.18×（28-15）]=8077kg/h=193.85t/d=58155t/d

将发酵段水衡算列入表3-3。

表3-3发酵车间冷却水衡算表

生产

工序

平均耗水量

（t/h）

日耗水量

（t/d）

年耗水量

（t/a）

发酵罐用水

166.154

3987.692

1196307.69

种子罐用水

8.077

193.846

58153.85

合计

174.231

4181.538

1254461.54

1.7.4发酵过程中的无菌空气耗用量的计算

（1）单罐发酵罐用无菌空气量：

根据无菌空气用量的计算公式：

V=发酵罐体积×通气速率×填充系数

已知：

发酵罐体积为400m3

通气速率为0.18vvm

填充系数为60%

则：

V=400×0.18×60%=43.2m3/h

（2）单个种子罐用无菌空气量：

取种子罐的空气消耗量为发酵过程空气耗量的25%,

则:

V=25%V=25%×43.2=10.8m3/h

（3）将发酵车间蒸汽衡算列入表3.4。

表3-4发酵车间无菌空气用量衡算表

设备

名称

单罐每小时用气量（m3/h）

单罐每日用

气量（m3/d）

每罐每年用

气量（m3/a）

年总用

气量m3/a

发酵罐

43.2

1036.8

311040

3421440

种子罐

10.8

259.2

77760

855360

总用量

54

1296

388800

4276800

1.8发酵罐的选型

当前，我国柠檬酸发酵占统治地位的