苹果酸.docx
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苹果酸
第一章项目建议书
项目名称：
年产4000吨的L-苹果酸生产厂建设
承办单位：
项目地址：
天津经济技术开发区化工区
承办人：
王慧
一．项目建设的目的和意义
1.提出背景与依据
L-苹果酸产品分为食用级和工业级2种。
食用级产品用于饮料水果加工等领域，工业级产品用作化学合成原料，制作酯类和盐类。
L-苹果酸广泛存在于苹果、梨及其他水果中，是三羧酸循环的重要成员之一。
L—苹果酸口感接近天然苹果的酸味，与柠檬酸相比，具有酸度大、味道柔和、滞留时间长等特点，目前已广泛用于高档饮料、食品等行业，成为继柠檬酸、乳酸之后用量排第三位的食品酸味剂。
用L—苹果酸配制的饮料更加酸甜可口，接近天然果汁的风味。
苹果酸与柠檬酸配合使用，可以模拟天然果实的酸味特征，使口感更自然、协调、丰满。
清凉饮料、粉末饮料、乳酸饮料、乳饮料、果汁饮料中均可添加苹果酸改善其口感和风味，苹果酸常与人工合成的二肽甜味剂阿斯巴甜配合使用，作为软饮料的风味固定剂添加。
100克苹果酸比添加100克柠檬酸几乎要强1.25倍，或者说80克的苹果酸和100克的柠檬酸形成的酸味强度是相当的，因此要达到相同的酸味强度使用L—苹果酸可以减少用量20%，对于一些食品加苹果酸可以节省白糖10%～20%，由于它的酸味刺激效果优于柠檬酸，近几年来L-苹果酸在食品工业上的应用已逐渐取代柠檬酸。
L－苹果酸可用于药物制剂、片剂、糖浆中，还可以配入氨基酸溶液中，能明显提高氨基酸的吸收率；L－苹果酸可以用于治疗肝病、贫血、免疫力低下、尿毒症、高血压、肝衰竭等多种疾病，并能减轻抗癌药物对正常细胞的毒害作用，还用于制备与合成驱虫剂、抗牙垢剂等。
另外L－苹果酸还可以作为工业清洗剂、树脂固化剂、合成材料增塑剂、饲料添加剂等。
由于L－苹果酸属于发酵生产的产品，安全性能有保障，因此，国际市场上需求量快速增加，近年来需求量保持在年均10%左右的高速度。
目前世界总产量每年约为10万吨，其中L－苹果酸产量每年约为4万吨，而世界市场潜在需求量达到每年6万吨，可见市场发展空间之大。
2．投资的必要性和经济意义
据了解，1990年第68届秋季广交会上，我国首批生产的L-苹果酸产品深受欢迎，来自西欧、美国及东南亚的客商一次就订货800吨。
1991年上海第一届华东四省七市外贸会上，该产品销势更旺，出口需要量在万吨以上。
美国年产2.5万吨，1990年价格0.81美元/磅，1993年提到1.85美元/磅。
调查表明，L－苹果酸在美国酸味剂市场上已居第三位，Miles公司是美国最大的苹果酸生产厂家，年生产能力为6810吨，还需从国外进口，日本是苹果酸的主要生产国和输出国，其产量占世界产量的一半以上，扶桑化学、三菱化成和协和发酵三大公司生产的苹果酸形成日本三足鼎立局面，田边制药公司是最早采用酶工程技术生产L－苹果酸的公司。
目前，美国FDA已开始限制柠檬酸及DL－苹果酸在老年人、肝肾功能障碍患者和儿童食品中使用。
国内一些大型食品公司，如娃哈哈集团、健力宝集团开始在饮料中使用L－苹果酸。
有报道表明L－苹果酸有可能替代柠檬酸作为食品添加剂。
柠檬酸的生产均采用葡萄糖、蔗糖、糖蜜、玉米淀粉等作为碳源，经过4-5天的发酵产酸而得，由于能源危机及粮食价格的上涨，也影响到柠檬酸的生产成本。
几年来柠檬酸价格节节上升，如八十年代美国市场价为1350美元/吨，九十年代涨到2725美元/吨。
达到同等酸味功效，使用柠檬酸与L－苹果酸的成本正在逐渐接近。
因此，开发L-苹果酸，在我国有很好的发展前景和经济意义。
3．生产优势和产品优势
生产优势：
（1）微生物适应性强，繁殖速度快；
（2）微生物生长所需原料丰富多样，原料成本低；（3）以富马酸为底物，利用微生物体菌体的富马酸酶合成L-苹果酸的技术，产酸量高，发酵周期短，能耗低，操作程序简单。
产品优势：
（1）近年来，随着饮料食品业的发展，对酸味剂的需求量越来越大；
（2）苹果酸与柠檬酸相比，产生热量更低，是一种低热量的理想食品添加剂，其味觉不像柠檬酸那样迅速达到最高强度并很快下来。
L－苹果酸酸味刺激缓慢，且在达到最高酸味后可以保留较长时间，酸化效果比柠檬酸更佳，酸味比柠檬酸高20%。
应用L－苹果酸配制的软饮料更加酸甜可口，当50%L－苹果酸与20%柠檬酸共用时，可呈现强烈的天然果实风味，因而受到食品工业的青睐；（3）随着新的菌种的发现和分离提纯工艺的发展，苹果酸的生产成本会有进一步的减低，苹果酸的应用会更普遍，更受欢迎。
二．产品方案及需求预测
1.产品方案
发酵类型连续发酵
发酵周期/d4
生产天数/d356
全年生产周期/个89
最终产物浓度g/L108.72
收率/%85
年产量/t4000
2.产品需求预测
全世界柠檬酸销量为40万吨以上，其中大量用于食品。
按照天然果汁中有机酸的比例，苹果酸约占1/3左右。
目前全世界化学合成的DL一苹果酸市场需求4万吨／年，产量在3.5万吨/年以上，其中一半以上用于食品工业。
由于FDA最近禁止在食品中使用DL－苹果酸，并且FDA又限制了柠檬酸在儿童、老年食品中的应用，所以L－苹果酸在食品及保健、化妆品的应用市场极为广阔。
目前国内已有少量L－苹果酸应用于高级饮料、医药、化妆品，由于L－苹果酸及调味效果大大优于柠檬酸，如果其生产成本有所下降，可在国内市场大量推广，若考虑老年、儿童饮料的需求，国内的企业将扩大规模。
三．工艺技术初步方案
以经60Co诱变后获得的优良菌株温特曲霉F2891直接以富马酸为原料，给以合适的温度，pH值，搅拌转速，通气量等条件，富马酸平均转化率83.07%，平均产L－苹果酸108.72g/L。
四．建厂条件和厂址初步方案
1.建厂条件
天津为沿海城市，气候温和。
温特曲霉发酵生产的最适温度为25~30℃，在此有优势的发酵条件，可以节省资源。
天津是京沪铁路的枢纽，有便利的交通网。
化工区地处天津市的东北部，人口密度相对较小，东邻渤海，环境容量巨大，非常适合发展工业。
2.厂址选择
公司欲建在天津经济技术开发区化工区。
3.占地面积
第一期工程拟建6600m²，待用土地2000m²。
五.主要原料、燃料、动力供应
1.原料供应
富马酸：
工业级,苏州合成化工厂；NaOH：
工业级；NaCl、KCl：
化学纯,上海兴达化学试剂厂；NaNO3、MgSO4·7H2O、FeSO4·7H2O、MnSO4·H2O、KH2PO4：
化学纯,上海医药集团化学试剂分公司。
菌种：
以山西省生物研究所提供的温特曲霉为出发菌株,经60Co诱变选育得到温特曲霉F2891菌株。
培养基原料通过购买获得。
2.水、电、热、燃料供应
天津基础设施配套完善，供水能力40万吨/日，从根本上解决了生活用水和工业用水；兴建的天然气管道和“渤西”天然气配套工程，使天然气供应量达到1721万m³，居民住宅气化率达到94%；集中供热自1997年筹建以来，供热热化率达到75%以上；电力充足，现有11AV变电站2座，3.5kV变电站2座，高压输电线路6条，总长l00公里，形成覆盖全镇的供电网络。
六．公用工程和辅助工程的初步方案
1.公用工程
（1）给排水工程
清洗用水采用自来水。
储水设施有防污染措施。
储水设备定期清洗、消毒。
清洗用水为活性炭过滤器处理的自来水。
锅炉用水为钠离子交换器处理的自来水。
（2）供气工程
采风器从室外采风，经过气压机、缓冲罐、冷却器、分离器、雾器、气储罐、加热器、过滤器等设备提供发酵过程中空气。
（3）动力工程
采用双回路供电体系，供电设备由变压器、变电柜和控制室，以及各种供电线网组成，动力系统的设计和安装由供电局负责。
（4）制冷系统
通过制冷设备提供，选购LSLGF300制冷机组三套、配电控柜XLS3-85一套和BNB-150凉水塔2个给水泵组成制冷系统。
主要提供发酵过程冷却水，灭菌后的罐体和培养基降温冷却水。
（5）供热工程
设备主要是锅炉及附属的软化水设备，自来水经软化除去无机盐离子，获得软化水，其经锅炉燃烧后，将软化水变成高温高压蒸汽，通过管道与发酵生产设备相连接用于灭菌。
2.辅助工程
项目需土建的辅助系统有原料库、成品库、办公室、化验室、菌种制备实验室、食堂、厕所、宿舍、锅炉房、机修车间、空气采集站、三废处理车间等。
七．环境保护
严格按照国家颁布的三废排放标准综合治理在生产过程中产生的废物，时刻注意厂区所在地的环境问题。
八．工厂组织与劳动定员
公司实行股份制。
公司组织结构为直线制。
全厂总定员为155人。
九．项目实施预规划及资金支付
1.项目工期十四个月，进度安排
2008年5-6月完成项目材料并设计
2008年6-7月进行工程勘测和设计
2008年7-8月完成工艺设计并筹集资金
2008年8-12月利用筹集资金进行土建工程并考察订购设备
2009年3-4月贷款资金到位，土建完成，设备到位安装并购进原料
2009年5-6月设备安装并调试
2009年7月项目完成投产
2.投资结算和资金筹集方案
项目总投资：
约9577万元。
其中：
固定成本2099.68万元，生产成本77.2996万元。
十．经济效益及社会效益的初步估算
1.经济效益
项目完成后年产量为4000吨，工厂售价3万元/吨，年产值12000万元，产品税3960万元，工厂成本9577万元，利润8040万元。
预计回收期为3.5年。
2.社会效益
项目建成后的意义是：
（1）可以提供一定的就业岗位，缓解就业压力，还可以带动其他服务行业的发展。
（2）增加国家的收入，为国家的发展作出一定的贡献。
3.结论与建议
结构合理，效益高，投资回收期短，热电联产产业政策，社会效益和经济效此项目切实可行。
但产品过于单一，原料价格相对较高。
作为食品添加剂，只适于企业订购。
应在本企业积极研发新产品，扩大规模，提高经济效益。
第二章厂址选择
一．厂址坐落地点
公司欲建在天津经济技术开发区化工区。
二．概况及环境条件
天津为沿海城市，气候温和。
温特曲霉发酵生产的最适温度为25—30℃，在此有优势的发酵条件，可以节省资源。
天津是京沪铁路的枢纽，有便利的交通网。
化工区地处天津市的东北部，人口密度相对较小，东邻渤海，环境容量巨大，非常适合发展工业。
此区相距中国北方最大的散货港——天津港35公里，距天津滨海国际机场65公里，北京国际机场210公里，205国道在区东侧穿越而过，与丹拉高速公路天津段（唐津高速公路）、京津塘、京沪高速公路相衔接，并在宁河经济开发区内设出口一个，给我区创造了海、陆、空运输的便捷条件。
京山铁路线距开发区仅200米，区内有铁路专线。
芦台站、汉沽站两座国家客货二级火车站分别座落在开发区北、南二公里处。
交通便利，地理位置十分优越。
同时，化工区正在建设一个化工物流中心，此中心位于汉沽区外环线的东侧，经东外环通过彩虹桥进入港口，西经津汉路通往天津，经北外环进入京沈、津塘高速路，地理位置得天独厚。
物流中心占地65万㎡，年吞吐量200万吨以上，内有铁路可以装卸货物，并有三种类型仓储库，物流中心具有完善的现代化物流服务功能，包括：
运输功能、存储功能、装卸搬运功能、包装功能、流通加工功能、信息处理服务功能、货物集散功能。
三．水、电、燃料、交通运输设施供应
此区为投资者提供的基础设施达到“七通一平”的条件，包括：
给水、排水、电力、通讯、宽带、道路、天然气和土地平整。
给水：
工业园境内有自来水厂一座。
日供水能力40万吨，供水压力为0.25MPa，保证区域企业不间断用水。
排水：
工业园一期工程已铺设（DN1000-DN1500）污水、雨水管道1275米，设有排水泵站一座，排水能力为3060m³/h。
电力：
电力充足，现有11AV变电站2座，3.5kV变电站2座，高压输电线路6条，总长l00公里，形成覆盖全镇的供电网络。
宽带：
工业园内已铺设宽带网线，企业可便利地使用网络资源。
道路：
干道路面宽度最大12米，支道路面宽度最小9米，均按国家二级公路标准设计施工，路面为沥青。
天然气：
可为用户提供管道天然气，日供气能力1721万m³。
土地平整：
园区内土地平整，地质构造良好。
第三章总平面布局
一．厂区规划
工厂总面积：
8600㎡
建筑总面积：
3674㎡
生产及辅助生产车间建筑面积：
2308㎡
行政及生活设施建筑面积：
1366㎡
绿化面积：
1000㎡
发展基地：
2000㎡
二．总平面设计
全厂可分为：
生产区、辅助生产区、办公生活区及绿化区等几部分，土建总面积3674㎡，具体规划如图：
（1）生产区：
1280㎡
表3—1生产区面积规划图
车间
菌种制备实验室
发酵车间
第一提取车间
第二提取车间
第三提取车间
面积（㎡）
36
400
300
200
300
（2）辅助生产区：
1028㎡
表3—2辅助生产区面积规划图
车间
成品库
三废处理车间
动力车间
维修车间
生产
办公室
原料仓库
配电室
供水站
面积（㎡）
360
100
160
128
84
320
60
100
（3）办公及生活区：
1366㎡
表3—3办公生活区面积规划图
车间
办公楼
餐厅
门卫室
工人停车区
厕所
运动场地
面积（㎡）
360
420
100
180
192
186
（4）绿化面积：
1000㎡
（5）此外还有发展基地2000㎡
总平面设计图见附图一
第四章L-苹果酸生产的工艺设计
一．产品方案
发酵类型连续发酵
发酵周期/d4
生产天数/d356
全年生产周期/个89
最终产物浓度g/L108.72
收率/%85
年产量/t4000
二．工艺流程
三．发酵过程控制监测
1.工艺控制
采用培养基连续灭菌，连续灭菌时，蒸汽用量平稳，但蒸汽压力一般要求高于0.5MPa（表压）。
发酵罐应在连续灭菌开始前先进行空罐灭菌，以容纳经过消毒灭菌的培养基。
加热罐、维持罐和冷却罐也应先进行灭菌，组成培养基的耐热性物料可在不同温度下分开灭菌，以减少物料受破坏的程度，也可将糖和氮源分开灭菌，以免醛基和氨基发生反应。
2.发酵动态监测
从零时直到发酵全过程结束，都需定时取样进行糖的分析、氮和矿物元素的分析、pH值测定，以及菌体生长发育的显微观察。
整个发酵过程pH应控制在6.4—6.7之间，用pH计测定。
发酵中总糖测定用费林试剂法。
发酵液中氨基氮测定：
原理是氨基氮和多肽在水溶液中显中性，加入甲醛与氨基结合，再用NaOH溶液进行滴定。
如有碳酸盐和磷酸盐存在时，可加入氯化钡在碱性介质中沉淀除去，然后调节至中性后再进行测定。
发酵液黏度测定：
用黏度计测定。
发酵中生物量测定：
收集菌丝体，用分光光度计测定。
L-苹果酸测定：
用酸碱滴定法测定。
3.发酵终点
当L-苹果酸的含量达到108.72g/L时即可放罐。
四．L-苹果酸提取工艺操作要点
（1）发酵液过滤浓缩：
发酵液经泵加压后进入板框过滤机，L-苹果酸随清液流出，而菌丝体、蛋白质和固体悬浮颗粒等杂质被截留，将他们热交换器冷却后，送回罐进一步浓缩，直至超滤浓缩液呈浆糊状，再用少量的水清洗，使滤液渣中残余的L-苹果酸充分洗涤出来。
洗涤出的苹果酸溶液的浓度为12%。
（2）中和抽滤：
将得到的清液转入中和桶，就加入碳酸钙中和，变为苹果酸钙从液相中析出，从而与发酵液中其他可溶性杂质分离。
温度在45℃—50℃，pH6.9—7.2。
加入碳酸钙时，加入速度以泡沫不溢出桶外为好。
放入虹吸排液真空抽滤机抽滤。
用40℃热水洗涤。
（3）酸解脱色过滤：
将苹果酸钙加入其重量3—4倍的水，调浆，加热到50℃—55℃，缓慢滴加硫酸至pH为1.5—2.0，继续搅拌10min，加粉末活性炭（10g/L—30g/L）脱色，硫酸一般为碳酸钙的用量的92%—95%，过滤，除硫酸钙，活性炭，用热水洗涤，收集到的滤液中苹果酸的浓度为16%。
（4）将苹果酸液通过离子交换树脂除去各种杂质离子，浓度达到18%，真空浓缩至80%左右，放入结晶罐结晶，用冷水降温至35℃，结晶罐转速为10r/min—15r/min，缓慢降温结晶约15h，离心分离出L-苹果酸晶体，立即干燥，得到苹果酸晶体。
五．物料衡算
1.原料配比
种子培养基（g/L）：
豆饼粉6，蔗糖18，硝酸钠3，磷酸氢二钾1，氯化钾0.5，硫酸镁0.5
发酵培养基（g/L）：
延胡索酸115.8，蔗糖11.5，硫酸镁1.05，氯化铁0.07，浓磷酸1.16，氨水1.58
2.得率
表4—1得率表
指标
产酸量
富马酸用量
转化率
提取率
接种量
得率
108.72g/L
115.8g/L
83.07%
85%
10%
3.原料消耗计算
（1）以生产1000kg苹果酸所消耗原料计算
发酵液量：
V1=1000/（85%×108.72）=10.821m³
二级种子液量：
V2=V1×10%=1.082m³
一级种子液量：
V3=V2×10%=0.108m³
V2+V3=1.19m³
富马酸：
115.8×10.821=1253.078kg
糖：
11.5×10.821+18×1.19=145.862kg
豆饼粉：
6×1.19=7.14kg
硝酸钠：
3×1.19=3.57kg
磷酸氢二钾：
1×1.19=1.19kg
氯化钾：
10.5×1.19=12.495kg
硫酸镁：
0.5×1.19+1.05×10.821=11.957kg
氯化亚铁：
10.07×10.821=108.967kg
浓磷酸：
1.16×10.821=12.552kg
氨水：
1.58×10.821=17.097kg
（2）每天需生产苹果酸11.24t，每年需生产4000t苹果酸，则消耗原料如图。
表4—2原料消耗统计表
原料
每天消耗量（kg）
年消耗量（吨）
富马酸
14084.6
5012.29
糖
1639
583.448
豆饼粉
80.2536
28.56
硝酸钠
40.1268
14.28
磷酸二氢钾
13.3756
4.76
氯化钾
140.4438
49.98
硫酸镁
134.39668
47.828
氯化铁
1224.789
435.88
浓磷酸
141.0848
50.208
氨水
192.17028
68.388
六．设备设计选型
1.发酵设备的选型
（1）发酵罐选型
每立方米发酵液产L-苹果酸量：
发酵液产108.72kg/m³，收率85%，所以生产1000kg苹果酸用发酵液量为10.821m³。
全年发酵液总量：
4000×10.821=43284m³，则每天需生产发酵液体积:
43284/356=121.584m³/d。
全年生产罐数：
4×（356/4）=356罐/年。
发酵罐容量确定：
装料系数70%，生产周期4d，则121.584×4/70%=694.767m³，安全系数为1.1，所以发酵罐体积：
694.767×1.1=764.2m³。
因此，取装料系数为70%的公称体积容量为200m³的机械搅拌式发酵罐4个即可满足生产。
型号：
罐体材质SUS316L/SUS321不锈钢材质（无锡市华元化工设备制造有限公司）。
三层结构（内筒、控温夹套、保温层），保温层为绝热材料（保温层可选）
驱动方式：
顶部机械搅拌，大型罐带有自平衡装置
密封方式：
机械密封，性能可靠
灭菌方式：
在位灭菌
公称容积（m³）：
200
筒体直径（mm）：
4600
筒体高度H（mm）：
11500
换热面积（m²）：
220
搅拌轴转速（r.p.m）：
200
搅拌轴功率（kW）：
220
（2）二级种子罐选型
按接种量10%，装料70%：
800×70%×10%/70%=80m³，则选取20m³二级种子罐4个（无锡市华元化工设备制造有限公司）。
技术参数：
公称容积（m³）：
20
筒体直径（mm）：
2200
筒体高度H（mm）：
5000
换热面积（m²）：
22
搅拌轴转速（r.p.m）：
280
搅拌轴功率（kW）：
15
（3）一级种子罐选型
按接种量10%，装料70%：
80×70%×10%/70%=8m³则选取2m³二级种子罐4个（无锡市华元化工设备制造有限公司）。
技术参数：
公称容积（m³）：
2
筒体直径（mm）：
1000
筒体高度H（mm）：
2500
换热面积（m²）：
1100
搅拌轴转速（r.p.m）：
280
搅拌轴功率（kW）：
7.5
2.动力泵的选择
（1）种子液从二级种子罐（20m³）打入发酵罐（200m³）选用动力泵
选型：
每个发酵罐接种量为200×70%×10%=14m³，用时0.5h，流量为14/0.5=28m³/h。
所以选用型号为3A-135的不锈钢转子泵（上海华通集团博洋水泵厂），流量为15～30m³/h，电机功率为15kW。
数量3个，备用两个。
（2）种子液从一级种子罐（2m³）打入二级发酵罐（20m³）选用动力泵
选型：
每个二级种子罐接种量为20×70%×10%=1.4m³，用时0.5h，其流量为2.8m³/h。
所以选用型号为3A-12的不锈钢转子泵（上海华通集团博洋水泵厂），流量为1.3～3.2m³/h，电机功率为2.2kW。
数量3个，备用两个。
（3）种子液从配料罐打入发酵罐选用动力泵
要求流量为140m³/h，可选用LJB100-80-30，流量为80m³/h，扬程30m，轴功率10.05kW，数量2个，两台同时使用。
3.储存罐和配料罐
（1）选用两个400m³的储罐。
（2）发酵罐选择200m³的配料罐，二级种子罐选择20m³的配料罐，一级种子选择2m³的配料罐。
4.提取精制设备选型（选型以一个生产周期为准）
（1）过滤设备：
一个周期所得发酵液总量为200×70%×4=560m³，所以发酵液在一个周期内过滤完560/（24×4）=5.84m³/h。
选型：
BAS系列板框式过滤机（温州市东顶机械制造有限公司）
技术参数：
产品型号：
BAS-16-400
滤板规格×层数：
Ø400×16
流量（t/h）：
8
过滤面积（㎡）：
2.0
电机功率（kW）：
2.2
滤器材质：
SUS304
过滤器工作压力：
≤0.3MPa
适用温度（℃）：
5～150
外形尺寸（mm×mm×mm）:
2800×1900×3200
从过滤机里流出的清液苹果酸含量12%。
（2）中和设备：
一个周期大约产苹果酸量为560×85%×108.72=51750kg=51.75t，所以进入中和桶的溶液量为51.75/12%=431.25m³。
根据计算得加入碳酸钙的量为38.62t，所以选用容积为500m³的中和桶（大连通达反应釜厂）即可。
（3）抽滤设备：
虹吸排液真空抽滤器属于一般化工机械设备。
该设备将带吸液罩的虹吸管与真空抽滤器合为一体，先虹吸排除澄清液，再真空抽滤吸取沉淀物中液体，从而使沉淀洗涤的工艺过程强化。
与现行工艺技术比较，具有四个优点：
①能杜绝沉淀流失，排尽澄清液；②能吸取沉淀物中的液体；③易于吸取漂浮杂质；④便于实现沉淀洗涤过程的自动化。
它是现有化工生产中，需要多次洗涤的沉淀物急待采用的先进技术。
选型：
虹吸排液真空抽滤机（温州市东顶机械制造有限公司）
技术参数：
过滤面积（㎡）：
3
过滤能力（t/h）：
6
主电机功率（kW）：
12
外形尺寸（mm×mm×mm）：
6000×1200×800
（4）酸解设备：
中和过程中得到大约80t苹果酸钙，因此
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