课程设计说明书样本doc 李玉美.docx
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课程设计说明书样本doc李玉美
课程设计说明书
课程名称:
生物工程设备设计课程设计
设计题目:
年产80000吨柠檬酸发酵车间工厂设计
学院（直属系）:
生物工程学院
年级、专业:
2009级生物工程专业
学生姓名:
李玉美
学号:
312009081801230
指导教师:
张良
开始时间:
2012年6月25日
完成时间:
2012年7月2日
目录
摘要-3-
1.1柠檬酸的性质和用途-3-
1.2柠檬酸的来源和发展情况-4-
2生产工艺-5-
2.1生产方法-5-
2.2工艺流程-5-
2.3操作工艺-5-
2.3.1原料的处理-5-
2.3.2发酵工序-6-
2.3.3醪液处理工序-6-
2.3.4提取工序-6-
2.3.5精制工序-6-
3工艺计算-7-
3.1物料衡算-7-
3.1.1工艺技术指标及基础数据-7-
3.1.2原料消耗计算（基准：
1000kg成品柠檬酸）-8-
3.1.3发酵醪量的计算-8-
3.1.4接种量的计算-9-
3.1.5成熟的蒸煮醪量计算-9-
3.1.6成品柠檬酸-9-
3.1.7淀粉原料年产8万吨一无水柠檬酸厂总物料衡算-9-
3.2热量衡算-10-
3.2.1液化热平衡计算-10-
3.2.2发酵过程中蒸汽耗量的计算-10-
3.2.3发酵过程中冷却水耗量的计算-11-
3.2.4发酵过程中无菌空气耗量的计算-12-
4设备选型-13-
4.1主要设备的选型-13-
4.1.1发酵罐的选型-13-
4.1.2种子罐的选型-15-
4.2.3其它辅助设备-17-
5全厂车间布置概况-19-
5.1厂址选择-19-
5.1.1厂址选择的一般性原则-19-
5.1.2本设计的厂址选择-19-
5.2车间布置-20-
5.2.1车间布置的基本原则和要求-20-
5.2.2本设计的车间布置-20-
5.3发酵厂卫生问题-21-
6废物处理-21-
6.1发酵工厂污染概况-21-
6.2柠檬酸工厂的“三废”处理-22-
6.2.1柠檬酸发酵有机废水的处理-22-
6.2.2柠檬酸发酵废气的处理-23-
6.2.3柠檬酸发酵废渣的处理-23-
7设计评估及感想-24-
7.1设计评估-24-
7.2感想-24-
8附图
8.1柠檬酸发酵工艺流程图见附图一
8.2柠檬酸蒸煮糖化车间布置图见附图二
年产80000t柠檬酸发酵车间工厂设计
1摘要
本设计采用玉米淀粉原料发酵，只需将玉米淀粉粉，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。
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。
由于本设计为发酵车间的设计，着重于车间的工艺计算、设备选型。
通过全厂物料衡算、车间热量衡算，确定发酵车间主要设备发酵罐、种子罐的设计和选型以及全厂及车间布置。
本设计还包括发酵罐图，车间平面布置图，工艺流程图。
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和柠檬酸盐。
据不完全统计，使用柠檬酸的食品或药品约有上千种之多。
柠檬酸除用于食品和医药工业以外，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、日化行业及其他行业的通用原料。
1.2柠檬酸的来源和发展情况
1784年C.W.舍勒首先从柑橘中提取柠檬酸。
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，柠檬酸仍然主要是从柠檬中提取，产量还很低。
1893年C.韦默尔发现青霉（属）菌能积累柠檬酸，但未能实现工业化生产。
1917年，柯里发现了一株产柠檬酸的黑曲霉，并通过美国的辉瑞公司于1923年采用浅盘发酵实现了工业化生产，原料主要是糖蜜。
1952年美国迈尔斯公司首先成功采用液体深层发酵工业化规模生产柠檬酸。
这种新工艺具有很多优越性，因而推动世界柠檬酸工业的迅速发展，也成为了柠檬酸发酵生产的主要工艺。
我国的柠檬酸发酵工业：
1969年上海酵母厂成功利用薯干粉深层发酵柠檬酸。
20世纪80年代，由于出口的需要，我国的柠檬酸生产发展迅速，已成为世界上柠檬酸生产量最大的国家。
我国开发的以薯干为原料的产酸菌种具有其独到的特点，生产成本较低，在国际市场具有较强的竞争力。
中国不仅是柠檬酸生产大国，也是出口大国，目前出口量已占总产量的70%-80%。
近10年来，由于受出口刺激，中国柠檬酸生产能力和产量都增长很快。
1985年，中国柠檬酸产量只有3.7万吨，2002年已达到约40.0万吨。
目前全国有近90家柠檬酸生产企业，年生产能力近50万吨，占世界总量的40%多。
2生产工艺
2.1生产方法
本次生产工艺设计以玉米淀粉为原料，采用调浆、液化，进行连续蒸煮，间歇发酵，钙盐法提取，最后结晶、干燥得到柠檬酸。
2.2工艺流程
基本过程为：
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
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
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
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，最后得到成品柠檬酸。
2.3操作工艺
2.3.1原料的处理
根据发酵的要求，对玉米淀粉原料，采用调浆、液化、连续灭菌的处理方法；送入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。
2.3.2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，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；种罐菌活力及菌群数量达标后，即可移种。
在发酵或陪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。
2.3.3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。
2.3.4提取工序
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，又热水或酸解液调浆，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，柠檬酸酸解送至精制工段。
2.3.5精制工序
离子交换与脱色柠檬酸液从暂贮罐中泵送离交纯化工序，经由阳离子交换塔，阴离子交换塔和活性炭脱色塔，离交脱色出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，通过精过滤出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（一水成品或无水产品），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，不合格颗粒被筛选分出来，溶解后返回到结晶系统，柠檬酸成品进行定量、包装，存放。
3工艺计算
3.1物料衡算
3.1.1工艺技术指标及基础数据
（1）生产规模：
80000t/a98%一无水柠檬酸；
（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）无水氯化钙用量，0.1%；
（5）碳酸钠用量，0.15%；
（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）原料：
玉米淀粉；
（8）α-淀粉酶用量：
5U/g,原料淀粉酶活力为3000U/g；
（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90%，精制阶段收率98%，倒罐率1%，其得率99%；产酸率（即糖发酵液转化率）14%；
（10）发酵周期：
96h；黑曲霉接种量：
10%（V）；
3.1.2原料消耗计算（基准：
1000kg成品柠檬酸）
一水柠檬酸转化为无水柠檬酸：
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”：
转化系数为1.0914。
无水柠檬酸需要量为：
87312÷1.0914＝80000t/a
（1）生产无水柠檬酸的总化学反应方程式：
162192
X1000
（2）生产1000kg98%无水柠檬酸所需的理论淀粉消耗量：
X＝1000×（162÷192）×98%＝826.875kg
（3）生产1000kg98%无水柠檬酸所需的实际淀粉消耗量：
X÷（98.5%×95%×90%×98%×99%）＝1011.99kg
（4）α-淀粉酶的消耗量：
应用淀粉酶活力为3000U/g的α-淀粉酶使淀粉液化。
α-淀粉酶用量按5U/g原料计算，则有：
1497.542×1000×5÷3000＝2495.903kg
3.1.3发酵醪量的计算
根据发酵液转化率为14%：
1000×98%÷（95%×98%×14%）＝7518.8kg
3.1.4接种量的计算
接种量为发酵醪的10%，x/（发酵醪量-x）×100%=10%则：
7518.8×10%÷110%＝683.53kg
3.1.5成熟的蒸煮醪量计算
发酵醪量-接种量，则：
7518.8-683.53=6835.27kg
3.1.6成品柠檬酸
日产柠檬酸量为：
80000÷300＝266.667t/d
即结晶液中的柠檬酸含量为266.667t/d
需精制液中柠檬酸含量为：
266.67÷98%＝272.112t/d
需分离液中柠檬酸含量为：
266.67÷（90%×98%）＝302.347t/d
3.1.7淀粉原料年产8万吨一无水柠檬酸厂总物料衡算
即对生产80000t/a98%无水柠檬酸的玉米淀粉原料柠檬酸厂进行计算
（1）柠檬酸成品
日产食用98%无水柠檬酸量为266.67t，取整数为267t
日产副产品为：
267×2÷98＝5.4t
则日总产量为：
267+5.4=272.4t
实际食用柠檬酸年产量为：
267×300＝80100t/a
副产物年产量为：
5.4×300＝1620t/a
总产量为：
80100+1620=81720t/a
表3-180000t/a柠檬酸厂物料衡算表
物料名称
每吨产品物料消耗量（kg）
年产8万吨产品物料消耗量
每天（t/d）
每年（t/a）
食用柠檬酸
1068
267
80100
副产品
21.6
5.4
1620
淀粉
1011.99
252.99
75899.25
α-淀粉酶
2495.903
0.624
187.193
发酵醪
7518.8
1879.7
563910
接种量
683.53
170.88
51264.75
成熟蒸煮醪
6835.27kg
1708.82
512645
3.2热量衡算
3.2.1液化热平衡计算
喷射加热器耗热
由工艺可知：
经过喷射加热器温度由50℃升温至100℃
Q=3.91kJ/（kg·℃）×19806.17kg×（100-50）℃=3872106.2kJ
3.2.2发酵过程中蒸汽耗量的计算
①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η=95%；I————汽化潜热。
②基础数据
在28℃下，查的：
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·℃）
由物料衡算可知：
淀粉浆中含水量为：
95.0%
淀粉浓度为5.0%
由此可算出淀粉浆的比热容为：
C=1.55×5.0%+4.174×95.0%=4.04kJ/（kg·℃）
③生产过程中蒸汽耗量的计算
⑴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℃
每罐的初始体积180m³，除糖浓度是13g/100ml,灭菌前培养基含糖量为19%，
其数量为180×13%÷19%=123.16t
灭菌过程中用0.3MPa，蒸汽I=2725.3kJ/kg,由维持罐（90℃），进入连消塔加热至130℃，糖液比热容4.04kJ/（kg·℃）。
每罐灭菌时间3h,输料流量123.16÷3=41.05t/h
消毒灭菌用蒸汽量为D=
=3200㎏/h=3.2t/h；
每天培养基灭菌用蒸汽量：
3.2×3×4=38.4t；
所有用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=3.84t
⑵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=155.83÷1281.09×100%=12.2%
t——温度，℃
带入上式，得：
C=（0.99-0.66×12.2%+0.0010×35）×4.19=3.96kJ/kg·℃
因此可得D6=
=
=205.56t/d=61668t/a
将发酵段蒸汽衡量列表如下
表3-2发酵车间蒸汽衡算表
生产工序
日用蒸汽量
（t/d）
（t/d）
平均蒸汽用量（t/h）
年用蒸汽量
（t/a）
培养基灭菌
38.4
3.2
11520
加热发酵醪
205.56
8.565
61668
空罐灭菌
3.84
0.16
1152
合计
3.2.3发酵过程中冷却水耗量的计算
已知发酵过程中的发酵热为4.18×6000kJ/m³·h,200m³的发酵罐一般装料量为180m³（填充系数为0.9），则
=83077㎏/h=1993.848t/d=598154.4t/a
已知25m³的种子罐（填充系数0.7），装料量为17.5m³
=8077kg/h=193.85t/d=58155t/a
将发酵段冷却水衡算列表如下：
表3-3发酵车间冷却水衡算表
生产工序
平均耗水量（kg/h）
日耗水量（t/d）
年耗水量（t/a）
发酵罐用水
83077
1993.848
598154.4
种子罐用水
8077
193.85
58155
合计
3.2.4发酵过程中无菌空气耗量的计算
①单个发酵罐耗用无菌空气量
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200m³；通气速率为0.18vvm；填充系数为60%
则V=200×0.18×60%=21.6m³/h
②单个种子罐耗用无菌空气量
取种子罐的无菌空气耗量为发酵过程无菌空气耗量的25%
则V=25%V=0.25×21.6=5.4m³/h
将发酵车间蒸汽衡算列表如下：
表3-4发酵车间无菌空气耗用量衡算表
设备名称
单罐每小时通气量（m³/h）
单罐每日用气量（m³/d）
单罐每年用气量（m³/a）
年总用量（m³/a）
发酵罐
21.6
518.4
155520
3110400
种子罐
5.4
129.6
38880
777600
总用量
27
648
194400
3888000
4设备选型
4.1主要设备的选型
4.1.1发酵罐的选型
发酵罐是整个工艺流程中最重要的一个设备。
当前，我国柠檬酸发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐，即通常所说的通用罐。
选用这种发酵罐的原因主要是：
历史悠久，资料齐全，技术成熟可靠，成功率较高。
生物反应发酵罐一般有20m³、30m³、50m³、60m³、75m³、150m³、200m³等，国内一般为100-500m³，而国外则都在400-500m³，最大可能为1000m³以上。
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，从生产的可靠性、可实施性等方面考虑，本设计拟采用放罐容积约200m³的新型通风发酵罐。
现以此类发酵罐进行设计选型。
4.1.1.1发酵罐容积和台数的确定
①发酵初糖浓度：
由物料衡算可知，发酵液中柠檬酸的含量为164.03t/d，则根据：
C6H12O6→C6H8O7
180192
可算出葡萄糖量为：
164.03×180÷192=153.78t/d
则发酵初糖浓度为：
153.78÷1281.09×100%=12%
②生产能力的计算：
现每天生产98%纯度的柠檬酸152.71t，柠檬酸发酵周期为96h（包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间）。
则每天需糖液体积为V糖。
每天产纯度为98%的柠檬酸266.67t，每吨100%的柠檬酸液需糖液7.58m³。
V糖=7.58×266.67=2021.36m³
设发酵罐的填充系数φ=90%，则每天需要发酵罐的总体积为V0（发酵周期为48h）。
V0=V÷Φ=2021.36÷0.9=2245.95m³
③发酵罐个数的确定：
现选择公称容积为200m³的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为例，则需要发酵罐的个数为N1。
查资料知公称容积为200m³的发酵罐，总容积为230m³，则：
每台罐的产量为：
200×0.9×13%×1.11÷95%×98%=24.2t
发酵罐所需个数=
=（266.67÷24.2）×（96÷24）=44.077。
取整为44。
即需要公称容积为200m³的发酵罐44个，可保证生产质量。
每日投放罐次：
266.67/24.2=11.01,取整到11次，日运转44.077×66÷96=30.30
其中发酵时间为66h，发酵操作时间为96h。
4.1.1.2发酵罐主要尺寸计算
现按公称容积200m³的发酵罐计算
V=V桶+2V封=230m³,封头（上封口）折边忽略不计，则
V=
=0.785D2×2D+π/12×D³=230
解方程得：
D=5.009（m）取D=5m，H=10m；
根据《发酵工厂设计概论》通用发酵罐系数表查得封头高H=300mm
从而定容积V=V桶+2V封
=
=0.785×2×5³+3.14×5³/12
=229m³≈230m³从而满足设计
4.1.1.3发酵罐冷却面积计算
对于柠檬酸发酵，每立方米发酵液，每小时传给冷却器得最大热量约为4.18×6000kJ/（m³·h），取经验值K=4.18×500kJ/（m³·h·℃）。
35℃→35℃
15℃→28℃
207
带入得
℃
即平均温差为12.4℃
对公称体积200m³的发酵罐，每次放4罐，每罐实际装液量为：
1157.54/4=289.4m²
换热面积
A=Q/（K·Δtm）=（4.18×6000×289.4）/（4.18×500×12.4）=280.1m²
4.1.1.4发酵罐搅拌器的计算
采用六弯叶涡轮搅拌器
①搅拌器尺寸
搅拌器叶径d=D/3=1.67m，取d=1.7m
叶宽B=0.2d=0.34m
弧长I=0.375d=0.64m
底距C=D/3=1.67m，取C=1.7m
盘径d1=0.75d=1.28m
叶弦长L=0.25d=0.43m
叶距Y=D=5m
弯叶板厚δ=12mm
②转速
取四档搅拌，搅拌速度N可根据50m³罐，搅拌器直径1.05m，转速n=110r/min,
以等P1/N为放大标准放大求得N2=N1（D1/D2）2/3=80（r/min）
③计算搅拌轴功率
⑴雷诺数
试中：
D--搅拌器直径，为1.7m
N--搅拌器转速，为80/60=1.33r/s
ρ--醪液密度，为1050kg/m³
μ--醪液粘度，为1.3×10-3N·s/m²
代人数据
=1.7²×1.33×1050/1.3×10-3=3.1×106
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