年产5000吨柠檬酸工厂设计.docx
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年产5000吨柠檬酸工厂设计
建厂可行性研究报告
学生姓名:
宋利宏
专业:
食品科学与工程121
学号:
20123672
指导教师:
林勤
2015年10月16日
年产5000吨柠檬酸发酵工厂设计
食品科学与工程专业魏文姣
指导老师蒲传奋
摘要：
本论文主要是进行年产量5000吨柠檬酸发酵工厂设计，在设计过程中进行了详细的工艺论证，对每个工艺过程进行了分析。
并且在此基础上制定产品方案，设计生产工艺，对柠檬酸生产加工过程中的物料平衡进行计算，对主要设备进行选型以及水、电、汽平衡，劳动力平衡进行计算，最后进行车间设计。
设定企业管理组织构架，实施环境保护规划并进行污水处理，对投资成本、利润、盈亏平衡点等进行估算。
生产总投资为2080万元，年利润可达1913.7万元，投资回收期1.3年左右。
关键词：
柠檬酸；发酵；工厂设计
Designofanannualoutputof5000tonsofCitricacidfermentationfactory
FoodscienceandengineeringmajorWeiWenjiao
GuideteacherPuChuanfen
Abstract:
Thispaperismainlyfortheannualoutputof5000tonsofcitricacidfermentationfactorydesign,processhasbeenprovedinthedesignprocess,foreachprocessareanalyzed.Developproductsolutionsandonthisbasis,designandproductionprocess,thematerialbalanceofcitricacidproductionintheprocessofcalculation,selectionandwater,electricity,steambalanceofmainequipment,laborbalancecalculation,theworkshopdesign.Setthecorporatemanagementstructure,theimplementationplanforenvironmentalprotectionandsewagetreatment,toestimatetheinvestmentcost,profit,profitandlossbalancepoint.Theproductionofatotalinvestmentof20800000yuan,annualprofitof19137000yuan,theinvestmentrecoveryperiodis1.3yearsorso.
Keywords:
citricacid;fermentation;plantdesign
第一章绪论
柠檬酸发酵工厂位于山东省潍坊，潍坊市安丘市位属暖温带大陆性气候，四季分明，光照充足，雨热同季。
无霜期年平均213天，年均降雨量650余毫米，年平均气温18℃，适宜多种动植物生长。
靠近原料生产基地，空气清新，水质清纯，环境幽雅无污染，经济发展环境良好。
交通便利，利于材料以及产品的运输。
有机酸是微生物的初级代谢产物，与工业和人们的日常生活有着十分密切的关系，也是发酵产业中历史最悠久、吨位最大、价格最低廉的产品。
微生物能够产生多种有机酸，能够大规模生产的只有少数，主要包括柠檬酸、葡萄糖酸、衣康酸和乳酸。
目前产量最高两种有机酸分别是柠檬酸和葡萄糖酸，根据2005年的数据显示，2005年全世界的柠檬酸产量到达了100万吨，其中近50%的产量来自于中国。
由于柠檬酸的酸性、风味以及能够与金属离子形成复合物的能力，在工业中有着广泛的用途。
据统计，目前75%的柠檬酸用于食品以及饮料工业，10%用于制药行业，15%用于其他行业。
柠檬酸具有酸味圆润滋美的特点，并且无毒，安全性高，又因为柠檬酸具有溶解性好、螯合能力强的特性，因此被广泛应用于食品工业中，常被用作酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂、螯合剂等，此外，柠檬酸还可以作为冷冻水果和水果加工品种维生素的稳定剂以及作为软饮料、冷饮等食品的增香剂。
在医药工业中，由于酸根具有直接被吸收的特性，经常被作为某些医药的合成原料。
医药中合成的柠檬酸盐被广泛用用于医学临床。
医生在采取新鲜血液的时候，需要加入一些消毒过的柠檬酸钠就能起到防止血液凝固的作用，因此被称为抗凝血剂。
作为抗氧化剂还可以防止维生素的氧化[1]。
在化学工业中柠檬酸也有着举足轻重的地位。
作为一种弱有机酸，同时又具有螯合作用，可以引起金属外表层的轻微损坏，但是作为金属离子螯合剂又可以加速金属氧化物的迁移。
因此现在多采用柠檬酸来取无机强酸用于金属外表氧化物的清洁。
它还能增加去污性能，可以替代磷酸盐，作为无磷洗衣粉的重要原料，绿色环保。
柠檬酸盐是最常用的电镀缓冲液和络合剂，其螯合作用使电镀操作稳定，产品质量较好。
虽然目前柠檬酸的世界年产量超过200万吨，柠檬酸的需求逐年迅速递增，但是仍然不能满足人们日益增长的物质需求。
其中消耗量最大的国家是美国，年需求量近70万吨。
随着全世界经济的发展和人民生活水平的提高，柠檬酸的市场需求也在快速增长，因此，柠檬酸市场就全世界而言具有较大的发展潜力。
从广义上说，任何含有淀粉和糖的农产品、农产品加工品以及副产品，某些有机化合物，以及石油中的某些成分都是柠檬酸的原料。
在我国，柠檬酸生产以薯干、玉米等淀粉质原料为主。
传统的柠檬酸生产都是以薯干作为原材料，经过生物发酵和钙盐提取工艺制作的，这种方法生产的产品质量差而且成本高，环境污染严重，为了进一步扩大经济效益，提高生产效率，实现清洁无污染的生产，需要对柠檬酸生产提取工艺加以改进。
在原料方面，目前研究出了玉米粉、稻米以及秸秆等，工艺上采用工业离子色谱法、母液净化处理以及循环利用废糖液技术，这样不仅有效地降低了成本，而且对于柠檬酸生产剩余的副产物，通过优化工艺的方式加以合理的利用，废物排放量少有利于环境保护[2]。
玉米中含有丰富的营养物质，以纯碳水化合物的淀粉为主，还存在一些蛋白质，纤维素，脂肪，无机盐灰分等非纯碳水化合物。
第二章工艺方案论证
根据安全有利位置设计一所坐落于潍坊安丘市的柠檬酸发酵工厂。
本设计主要以国内柠檬酸主流生产技术为基础，结合国内外先进生产工艺和设备，参考发酵工厂设计、生物化工、柠檬酸发酵工艺、食品法规等有关文献资料，完成初步工厂设计。
2.2设计范围
制定产品方案，设计生产工艺，进行物料平衡，设备选型，劳动定员，水电汽平衡，全厂卫生安全研究。
设定企业管理组织架构并进行经济效果预测，绘制柠檬酸工厂总平面布置图、工艺流程图、车间布置图。
玉米→除杂→粉碎→调浆→液化→过滤→发酵→过滤→阴离子交换吸附→解脱液煮
↓↓
玉米渣菌丝体
→活性炭脱色→过滤→阳柱转型→二次脱色→蒸发浓缩→冷却结晶→离心别离→干燥
→包装→柠檬酸成品[3]
2.4工艺论证和说明
利用人工去除混入玉米中的固体杂质，如金属物、土、石、皮、芯、霉变块、粒等，排除污染。
将玉米进行粉碎，使得玉米能够充分发酵，不浪费原材料。
一般玉米不宜过碎或过大，60目过筛得到合格的玉米粉。
淀粉液化实质上是在淀粉颗粒因受热吸水膨胀、糊化破坏了其晶体结构之后进行的，这是因为淀粉颗粒对于酶作用的抵抗力较强，很难直接液化，因此淀粉糊化是酶法液化的一个重要步骤。
淀粉被糊化后，体积就会膨胀很多，粘度增强，流动性很差，搅拌困难，传热性较差，难以糊化均匀。
因此物料必须先进行液化，是料液的流动性变好，有利于料液的输送、灭菌完全、发酵初期菌体的生长、易于糖化、提高产酸率和淀粉的利用率。
使用物料输送机向调浆罐输送玉米粉，按照质量比为〔玉米粉：
水〕为1:
4.5的比例加入65℃的水，利用碳酸钠溶液调节浆料的pH在5.0~7.0范围内，并加入0.1%氯化钙，钙离子对淀粉酶具有激活和保护作用，也有助于杂质凝集，改善过滤性质。
最后加入粉耐高温α-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α-淀粉酶，进一步凝固聚沉蛋白质，对处理后的物料进行过滤处理，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α-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。
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，同时按质量体积比向发酵罐内加入已灭菌的0.9%尿素、0.1%磷酸氢钾、0.25%二氧化硫和10%种子液。
菌体生长的优劣完全取决于培养液内的氮源，这是因为细胞中铵离子浓度的升高能解除ATP和柠檬酸对于关键酶磷酸果糖激酶的反馈抑制，使得EMP代谢流增强，利于柠檬酸的生产和积累。
无机盐也是构成微生物生命活动不可缺少的物质，在柠檬酸发酵中，有的构成菌体，有的促进代谢，有的促进产酸[4]。
黑曲霉是嗜热微生物，生长温度在33~37℃，由于培养基中固形物较多，对菌体起到保护作用，一般温度控制在〔35±1〕℃。
发酵温度控制在34℃，pH4.5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。
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别离〔交换过程中，改变吸附交换柱内压力，调压力为4.9×106Pa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[5]。
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。
将此纯洁柠檬酸液经蒸发浓缩后进行结晶，然后用离心机别离母液和晶体，母液返回再次吸附交换，晶体进行干燥得合格的柠檬酸[6]。
干燥合格的柠檬酸晶体经包装后运送成品库。
根据潍坊当地的玉米农业产量、配套设备的生产能力和当地以及周边地区的柠檬酸的市场需求，将年产量定为5000吨。
根据充分的市场调研，结合潍坊当地的地理环境，根据当地农业产量和周边地区的消费需求，确定产品与产量。
本文是以柠檬酸生产为依据设计的。
全年均衡生产，全年工作日不少于300天，每天24h连续生产，每天的生产班次为3班。
年产量5000t，则日产量为5000/300=16.7t/天。
本设计中的柠檬酸的生产过程是采取机械与人工相结合的作业方式，所采用方法在保证产量的基础上，保证产品品质的营养卫生。
目前我国各地建造的柠檬酸工厂都按照国际卫生组织的要求实施，因此，本工厂更要遵守，这样我们才能在国内的柠檬酸市场占有一席之地。
第三章厂区平面设计
[7]
（1）厂址选择必须在符合工业布局、符合所在地区的规划的要求，按照国家有关法律、法规以及建设前期工作的规定进行。
（2）充分利用各地区的有利条件，避开或者克服不利条件，充分利用当地的人力、物力、财力和自然资源，保护环境；节约用地，不占用良田及经济效益高的土地，并且符合国家现行的土地管理、环境保护、水土保持等法规有关规定。
尽量远离风景游览区和自然保护区，不污染水源，有利于三废的处理，并符合现行的环境保护法规规定。
（3）使企业接近原料、能源产地和产品消费区，消除不合格运输；总体经济效益好，有利于加快国民经济发展和人民生活的提高。
具体厂址所在地的选择要从场地的自然条件，技术经济条件以及所在行业的特点三方面考虑，依次满足相应的条件。
柠檬酸工厂位于潍坊安丘市，安丘市位于山东半岛中部，是国务院批准的首批沿海对外开放的县市之一。
安丘境内平原、丘陵、山地各占三分之一，同时也是山东省重要的水源地。
东距青岛110公里，西距济南200公里，北距潍坊25公里，国道206、省道下小路、央赣路等多条主要干线交汇于境内，胶济铁路和济青、潍莱高速临境而过，规划建设的潍日高速横贯市境南北，交通十分便利。
安丘地处暖温带湿润季风区，气候温和，四季分明，光照充足，雨热同季，适宜多种农作物的生长。
靠近原料生产基地，空气清新环境无污染，经济发展环境良好。
厂区占地总面积约28000平方米，东西向约200m，南北向约140m。
厂区道路布置为环路，主干道宽8m，次干道宽5m，转弯半径为10m，满足消防要求。
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。
Table1.thefactorybuildingarea
序号
项目
单位
占地面积
1
规划用地面积
㎡
28000
2
建筑物占地面积
㎡
16000
3
总建筑面积
㎡
18000
4
建筑系数
%
57
5
容积率
%
6
绿化率
%
25
[7]
一个优良的车间布置设计应该是，技术先进、经济合理、节省投资、操作维修方便、设备排列简洁、紧凑、整齐、美观。
生物工程车间布置设计应遵循以下的原则：
（1）满足生产工艺的要求。
车间设备布置必须按照流程的流向顺序依次进行设备的排列，以保持物料顺畅地向前输送，按顺序进行加工处理，保证水平方向和垂直方向的连续性。
（2）满足生产操作的要求。
（3）满足设备安装、检修的要求。
要为设备的安装、检修、拆卸提供充足的空间，满足设备能够顺利进出车间的要求。
还要考虑到设备的检修盒抄写以及运送物料所需要的起重运输设备。
（4）满足厂房建筑的要求。
（5）满足节约建设投资的要求。
可根据使用和操作特点，与设备设计配合采取露天布置，减少建筑费用。
防止厂房的高层化，工艺管道集中布置。
（6）满足安全、卫生和防腐蚀的要求。
生物工程工厂车间卫生是首要环节，同时要为工人操作提供良好的安全卫生条件，易燃易爆车间要考虑方便疏散和防火灭火。
（7）满足生产发展要求。
根据生产需要与可能，考虑留有增加产量和设备的余地，设计中尽可能采用使原有建筑物变动少，不阻碍生产正常进行，且施工的工作量少的方案。
3.4.2生产所需建筑
（1）主生产车间：
柠檬酸发酵设备及其他辅助部分；
（2）原、辅材料库：
存放生产用的原辅材料及包装材料；
（3）粉碎车间：
进行玉米的粉碎以及除杂；
（4）调浆车间：
进行原材料的调浆工艺
（5）液化车间：
原材料的液化；
（6）提取车间：
柠檬酸的提取；
（7）烘干车间：
去除柠檬酸的水分，保持干燥；
（8）包装车间：
进行产品的质检与包装
（9）供水站：
为生产、清洁、生活等提供水源；
（10）变电站：
保证电量维持工厂的正常运行；
（11）空压站：
提供某些设备自动化控制所需的压缩空气及生产过程的需求；
（12）化验室：
菌种的培养及车间成品的理化指标的检测；
（13）污水处理区：
进行污水再处理；
（14）成品仓库：
用于存放生产成品；
（15）锅炉房：
提供生产所需要的蒸汽；
（16）更衣室、卫生间：
供车间工人使用
3.5车间平面设计说明
1.设计要求：
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。
假设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。
车间高度6.5m，侧窗的采光面积足以到达一定的采光系数，所以不需在屋顶上开天窗。
维持车间的采光系数在0.2~0.3之间。
车间内侧窗窗台高度取1m~1.2m。
采用普通玻璃窗，并附带一层纱窗。
地面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。
2.生产车间应设在市郊无污染区，防止与发电厂、化肥厂、水泥厂等相邻。
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.厂区其他主要建筑有宿舍楼、食堂、停车场、休闲娱乐中心、浴室、厕所等；
4.厂区道路：
主干道宽8米，两旁种有雪松、黄杨秋等；
5.绿化情况：
厂区建有花坛、草坪，主车间周围建有绿化带；
6.厂区考虑到防火要求，各主要建筑物和易燃物附近均设有消防水笼头及灭火器。
物料衡算包括该产品的原辅料和包装材料的计算，通过物料衡算，可以确定各种主要物料的采购运输和仓库储存量，并对生产过程中所需的设备和劳动力定员的需要量提供计算依据。
根据工厂设计规模、产品方案，通过物料平衡计算，可确定单位时间生产过程主要原辅料的需求量以及水、电、蒸汽等流量与耗量，据此就可以计算出全年主要物料、包装材料的采购运输和仓储容量。
同时通过物料衡算，还可以根据计算数值经济合理地选择生产设备，并进行车间的工艺布置和各工序劳动力的安排，也是进行经济分析不可缺少的根据，可以计算出原料和辅料的消耗定额，绘制出原、辅料耗用表和物料平衡图。
并为下一步设备计算、热量计算、管路设计等提供依据和条件。
还为劳动定员、生产班次、成本核算提供计算依据。
因此，物料衡算在工艺设计中是一项既细致又重要的工作。
本设计主要进行了柠檬酸车间相关内容的设计。
4.1.1全厂总物料衡算主要内容[8]
〔1〕原料消耗的计算，主要原料为玉米，其他辅料有耐高温α-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。
4.1.2工艺技术指标和基础数据
〔1〕生产规模：
年产5000t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：
柠檬酸含量为99.8%。
〔5〕副产品年产量：
玉米渣2000t，菌丝体3400t，（NH4）2SO45400t。
〔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α-淀粉酶〔酶活力为20000U/g〕，
用量为4U/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。
4.2原辅料消耗及中间产品衡算
以100kg柠檬酸为例，原辅料消耗和中间产品衡算如下：
4.2.1总反应式
〔1〕糖化阶段：
（C6H12O5）n＋nH2O→nC6H12O6
发酵阶段：
2C6H12O6＋3O2→2C6H8O7＋4H2O
〔2〕生产100kg无水柠檬酸理论淀粉消耗量
〔4〕生产100kg无水柠檬酸实际淀粉消耗量
〔5〕生产100kg无水柠檬酸玉米粉的消耗量
〔6〕耐高温α-淀粉酶的消耗量
耐高温α-淀粉酶酶活力为20000U/g，用量为8U/g玉米粉.
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：
〔2〕CaCl2的用量：
〔3〕干物质含量为B0＝87%的玉米粉比热容C0为：
0）＝1.63kJ/（kg·k）
玉米浆干物质的浓度B1为：
87÷〔5.5×100〕＝15.82%
液化醪的比热容为：
C1＝B1C0＋（1.0―B1）CW
＝3.78kJ/（kg·k）
CW——水的比热容，KJ/（kg·k）
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：
2748.9——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：
2264.0——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：
2269.1——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：
2748.9——喷射液化器加热蒸汽〔0.5MPa〕的焓，KJ/kg
130℃——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，蒸发量每小时为8%，故蒸发水分量：
故流出量：
〔9〕第二个真空冷却器出来的玉米浆的量：
2264.0——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：
2269.1——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45kg，得液化清液776.251kg。
4.2.3发酵液量的计算
3
KH3PO4
MgSO4
4.2.4离子交换树脂的计算
〔1〕8310#弱碱性阴离子交换树脂
8310#弱碱性阴离子交换树脂的技术参数如下：
型式：
羟型
粒度：
20～60且＜90
水分：
60%～70%
强度：
＞90%
每100kg柠檬酸所需发酵液的量是810.065kg，所需湿树脂的量：
湿树脂的体积：
3
一般控制树脂的吸附量仅为树脂总交换量的70%，则所需树脂的体积：
3
用15%NH4OH解脱，液氨〔按100%计〕用量是40kg/m3，则所液氨的量：
所需15%稀氨液的的量：
〔2〕阳离子交换树脂
解脱液常压煮沸后加活性炭脱色，过滤后要经过阳离子交换树脂转型,其技术参数如下：
型式：
H型
水分：
51%～56%
再生剂用量：
H2SO4（按100%计）75～150kg/m3湿树脂
每100kg柠檬酸所需的树脂量：
则H2SO4需要量：
再生的浓度为2%，所需量为：
45.5÷2%＝2275kg
再生后生成的（NH4）2SO4量：
经浓缩烘干后得固体（NH4）2SO4，设收得率为94%，则每吨柠檬酸可产副产品（NH4）2SO4的量：
4.2.5年产5000吨柠檬酸工厂总物料衡算表
表2物料衡算表
Table2.Balancesheetofmaterial
序号
名称
每100kg产品产〔耗〕量/t
时产〔耗〕量/t
日产〔耗〕量/t
年产〔耗〕量/t
1
成品酒精
5000
2
玉米
3
α-淀粉酶
4
CaCl2
5
KH3PO4
6
MgSO4
7
玉米浆
8
尿素
9
液化醪
10
液化清液
11
玉米渣
450
12
发酵液
13
种
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