年产5000吨柠檬酸工厂规划设计.docx
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年产5000吨柠檬酸工厂规划设计
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：
3672
指引教师姓名：
林勤
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
指引教师蒲传奋
摘要：
本论文重要是进行年产量5000吨柠檬酸发酵工厂设计，在设计过程中进行了详细工艺论证，对每个工艺过程进行了分析。
并且在此基本上制定产品方案，设计生产工艺，对柠檬酸生产加工过程中物料平衡进行计算，对重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。
设定公司管理组织构架，实行环保规划并进行污水解决，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。
核心词：
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
1.1公司概况
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，光照充分，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℃，适当各种动植物生长。
接近原料生产基地，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，利于材料以及产品运送。
1.2目和意义
1.2.1立项目
有机酸是微生物初级代谢产物，与工业和人们寻常生活有着十分密切关系，也是发酵产业中历史最悠久、吨位最大、价格最低廉产品。
微生物可以产生各种有机酸，可以大规模生产只有少数，重要涉及柠檬酸、葡萄糖酸、衣康酸和乳酸。
当前产量最高两种有机酸分别是柠檬酸和葡萄糖酸，依照数据显示，全世界柠檬酸产量达到了100万吨，其中近50%产量来自于中华人民共和国。
由于柠檬酸酸性、风味以及可以与金属离子形成复合物能力，在工业中有着广泛用途。
据记录，当前75%柠檬酸用于食品以及饮料工业，10%用于制药行业，15%用于其她行业。
柠檬酸具备酸味圆润滋美特点，并且无毒，安全性高，又由于柠檬酸具备溶解性好、螯合能力强特性，因而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稳定剂以及作为软饮料、冷饮等食品增香剂。
在医药工业中，由于酸根具备直接被吸取特性，经常被作为某些医药合成原料。
医药中合成柠檬酸盐被广泛用用于医学临床。
医生在采用新鲜血液时候，需要加入某些消毒过柠檬酸钠就能起到防止血液凝固作用，因而被称为抗凝血剂。
作为抗氧化剂还可以防止维生素氧化[1]。
在化学工业中柠檬酸也有着举足轻重地位。
作为一种弱有机酸，同步又具备螯合伙用，可以引起金属表面层轻微损坏，但是作为金属离子螯合剂又可以加速金属氧化物迁移。
因而当前多采用柠檬酸来取无机强酸用于金属表面氧化物清洁。
它还能增长去污性能，可以代替磷酸盐，作为无磷洗衣粉重要原料，绿色环保。
柠檬酸盐是最惯用电镀缓冲液和络合剂，其螯合伙用使电镀操作稳定，产品质量较好。
虽然当前柠檬酸世界年产量超过200万吨，柠檬酸需求逐年迅速递增，但是依然不能满足人们日益增长物质需求。
其中消耗量最大国家是美国，年需求量近70万吨。
随着全世界经济发展和人民生活水平提高，柠檬酸市场需求也在迅速增长，因而，柠檬酸市场就全世界而言具备较大发展潜力。
1.2.2项目投资意义
从广义上说，任何具有淀粉和糖农产品、农产品加工品以及副产品，某些有机化合物，以及石油中某些成分都是柠檬酸原料。
在国内，柠檬酸生产以薯干、玉米等淀粉质原料为主。
老式柠檬酸生产都是以薯干作为原材料，通过生物发酵和钙盐提取工艺制作，这种办法生产产品质量差并且成本高，环境污染严重，为了进一步扩大经济效益，提高生产效率，实现清洁无污染生产，需要对柠檬酸生产提取工艺加以改进。
在原料方面，当前研究出了玉米粉、稻米以及秸秆等，工艺上采用工业离子色谱法、母液净化解决以及循环运用废糖液技术，这样不但有效地减少了成本，并且对于柠檬酸生产剩余副产物，通过优化工艺方式加以合理运用，废物排放量少有助于环保[2]。
玉米中具有丰富营养物质，以纯碳水化合物淀粉为主，还存在某些蛋白质，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
2.1.设计根据
依照安全有利位置设计一所坐落于潍坊安丘市柠檬酸发酵工厂。
本设计重要以国内柠檬酸主流生产技术为基本，结合国内外先进生产工艺和设备，参照发酵工厂设计、生物化工、柠檬酸发酵工艺、食品法规等关于文献资料，完毕初步工厂设计。
2.2设计范畴
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。
设定公司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。
2.3工艺流程拟定
玉米→除杂→粉碎→调浆→液化→过滤→发酵→过滤→阴离子互换吸附→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→离心分离→干燥
→包装→柠檬酸成品[3]
2.4工艺论证和阐明
2.4.1原料预解决
运用人工去除混入玉米中固体杂质，如金属物、土、石、皮、芯、霉变块、粒等，排除污染。
将玉米进行粉碎，使得玉米可以充分发酵，不挥霍原材料。
普通玉米不适当过碎或过大，60目过筛得到合格玉米粉。
2.4.2发酵液预解决
淀粉液化实质上是在淀粉颗粒因受热吸水膨胀、糊化破坏了其晶体构造之后进行，这是由于淀粉颗粒对于酶作用抵抗力较强，很难直接液化，因而淀粉糊化是酶法液化一种重要环节。
淀粉被糊化后，体积就会膨胀诸多，粘度增强，流动性很差，搅拌困难，传热性较差，难以糊化均匀。
因而物料必要先进行液化，是料液流动性变好，有助于料液输送、灭菌完全、发酵初期菌体生长、易于糖化、提高产酸率和淀粉运用率。
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比例加入65℃水，运用碳酸钠溶液调节浆料pH在5.0~7.0范畴内，并加入0.1%氯化钙，钙离子对淀粉酶具备激活和保护作用，也有助于杂质凝集，改进过滤性质。
最后加入粉耐高温α-淀粉酶（酶活力0U/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℃。
从喷射器中喷出液料，通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，对解决后物料进行过滤解决，滤液通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，使液料温度减少到95℃，在二次液化罐内加入耐高温α-淀粉酶（酶活力为0U/g，加入量为8U/g玉米粉），液化30分钟，碘试合格后，结束液化。
2.4.3发酵
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，同步按质量体积比向发酵罐内加入已灭菌0.9%尿素、0.1%磷酸氢钾、0.25%二氧化硫和10%种子液。
菌体生长优劣完全取决于培养液内氮源，这是由于细胞中铵离子浓度升高能解除ATP和柠檬酸对于核心酶磷酸果糖激酶反馈抑制，使得EMP代谢流增强，利于柠檬酸生产和积累。
无机盐也是构成微生物生命活动不可缺少物质，在柠檬酸发酵中，有构成菌体，有增进代谢，有增进产酸[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，普通温度控制在（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，菌丝体是优质饲料原料，发酵清液进入提取精制工段。
2.4.4提取和精制
发酵清液通过8310＃阴离子互换吸附树脂将柠檬酸和其他杂质分离（互换过程中，变化吸附互换柱内压力，调压力为4.9×106Pa至放空，重复2到3次），然后用10%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某些色素等残渣获得清液[5]。
清液经阳离子互换树脂去除氨根离子，然后进行二次脱色得到18%柠檬酸液。
将此纯净柠檬酸液经蒸发浓缩后进行结晶，然后用离心机分离母液和晶体，母液返回再次吸附互换，晶体进行干燥得合格柠檬酸[6]。
2.4.5成品包装
干燥合格柠檬酸晶体经包装后运送成品库。
2.5产品与产量拟定
依照潍坊本地玉米农业产量、配套设备生产能力和本地以及周边地区柠檬酸市场需求，将年产量定为5000吨。
依照充分市场调研，结合潍坊本地地理环境，依照本地农业产量和周边地区消费需求，拟定产品与产量。
本文是以柠檬酸生产为根据设计。
全年均衡生产，全年工作日不少于300天，每天24h持续生产，每天生产班次为3班。
年产量5000t，则日产量为5000/300=16.7t/天。
2.6生产办法评价
本设计中柠檬酸生产过程是采用机械与人工相结合伙业方式，所采用办法在保证产量基本上，保证产品品质营养卫生。
当前国内各地建造柠檬酸工厂都按照国际卫生组织规定实行，因而，本工厂更要遵守，这样咱们才干在国内柠檬酸市场占有一席之地。
第三章厂区平面设计
3.1厂址选取原则[7]
（1）厂址选取必要在符合工业布局、符合所在地区规划规定，按照国家关于法律、法规以及建设前期工作规定进行。
（2）充分运用各地区有利条件，避开或者克服不利条件，充分运用本地人力、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土地，并且符合国家现行土地管理、环保、水土保持等法规关于规定。
尽量远离风景游览区和自然保护区，不污染水源，有助于三废解决，并符合现行环保法规规定。
（3）使公司接近原料、能源产地和产品消费区，消除不合格运送；总体经济效益好，有助于加快国民经济发展和人民生活提高。
详细厂址所在地选取要从场地自然条件，技术经济条件以及所在行业特点三方面考虑，依次满足相应条件。
3.2选址
柠檬酸工厂位于潍坊安丘市，安丘市位于山东半岛中部，是国务院批准首批沿海对外开放县市之一。
安丘境内平原、丘陵、山地各占三分之一，同步也是山东省重要水源地。
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、央赣路等多条重要干线交汇于境内，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，光照充分，雨热同季，适当各种农作物生长。
接近原料生产基地，空气清新环境无污染，经济发展环境良好。
3.3总平面设计方案
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，满足消防规定。
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，涉及玉米粉碎车间、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，涉及原料仓库、空压站、制冷站、给水站、配电站、储水池、污水解决中心、沼气解决中心等。
表1.厂区建筑面积
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
%
0.6
6
绿化率
%
25
3.4车间生产过程设计
3.4.1生产车间工艺布置原则[7]
一种优良车间布置设计应当是，技术先进、经济合理、节约投资、操作维修以便、设备排列简洁、紧凑、整洁、美观。
生物工程车间布置设计应遵循如下原则：
（1）满足生产工艺规定。
车间设备布置必要按照流程流向顺序依次进行设备排列，以保持物料顺畅地向前输送，按顺序进行加工解决，保证水平方向和垂直方向持续性。
（2）满足生产操作规定。
（3）满足设备安装、检修规定。
要为设备安装、检修、拆卸提供充分空间，满足设备可以顺利进出车间规定。
还要考虑到设备检修盒抄写以及运送物料所需要起重运送设备。
（4）满足厂房建筑规定。
（5）满足节约建设投资规定。
可依照使用和操作特点，与设备设计配合采用露天布置，减少建筑费用。
避免厂房高层化，工艺管道集中布置。
（6）满足安全、卫生和防腐蚀规定。
生物工程工厂车间卫生是首要环节，同步要为工人操作提供良好安全卫生条件，易燃易爆车间要考虑以便疏散和防火灭火。
（7）满足生产发展规定。
依照生产需要与也许，考虑留有增长产量和设备余地，设计中尽量采用使原有建筑物变动少，不妨碍生产正常进行，且施工工作量少方案。
3.4.2生产所需建筑
（1）主生产车间：
柠檬酸发酵设备及其她辅助某些；
（2）原、辅材料库：
存储生产用原辅材料及包装材料；
（3）粉碎车间：
进行玉米粉碎以及除杂；
（4）调浆车间：
进行原材料调浆工艺
（5）液化车间：
原材料液化；
（6）提取车间：
柠檬酸提取；
（7）烘干车间：
去除柠檬酸水分，保持干燥；
（8）包装车间：
进行产品质检与包装
（9）供水站：
为生产、清洁、生活等提供水源；
（10）变电站：
保证电量维持工厂正常运营；
（11）空压站：
提供某些设备自动化控制所需压缩空气及生产过程需求；
（12）化验室：
菌种培养及车间成品理化指标检测；
（13）污水解决区：
进行污水再解决；
（14）成品仓库：
用于存储生产成品；
（15）锅炉房：
提供生产所需要蒸汽；
（16）更衣室、卫生间：
供车间工人使用
3.5车间平面设计阐明
1.设计规定：
生产车间门，应设立防蝇、防虫装置，如水幕、风幕、暗道或飞虫控制器。
若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，侧窗采光面积足以达到一定采光系数，因此不需在屋顶上开天窗。
维持车间采光系数在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，将生产车间废水和腐蚀性介质排除。
车间地坪采用石板地坪，其长处是能耐腐蚀，不起灰。
2.生产车间应设在市郊无污染区，避免与发电厂、化肥厂、水泥厂等相邻。
所有会产生污染车间，都要与重要生产车间相隔离，这样才不会发生内部污染状况，符合卫生规定。
3.厂区其她重要建筑有宿舍楼、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.绿化状况：
厂区建有花坛、草坪，主车间周边建有绿化带；
6.厂区考虑到防火规定，各重要建筑物和易燃物附近均设有消防水笼头及灭火器。
4.工艺计算
4.1物料衡算
物料衡算涉及该产品原辅料和包装材料计算，通过物料衡算，可以拟定各种重要物料采购运送和仓库储存量，并对生产过程中所需设备和劳动力定员需要量提供计算根据。
依照工厂设计规模、产品方案，通过物料平衡计算，可拟定单位时间生产过程重要原辅料需求量以及水、电、蒸汽等流量与耗量，据此就可以计算出全年重要物料、包装材料采购运送和仓储容量。
同步通过物料衡算，还可以依照计算数值经济合理地选取生产设备，并进行车间工艺布置和各工序劳动力安排，也是进行经济分析不可缺少依照，可以计算出原料和辅料消耗定额，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、管路设计等提供根据和条件。
还为劳动定员、生产班次、成本核算提供计算根据。
因而，物料衡算在工艺设计中是一项既细致又重要工作。
本设计重要进行了柠檬酸车间有关内容设计。
4.1.1全厂总物料衡算重要内容[8]
（1）原料消耗计算，重要原料为玉米，其她辅料有耐高温α-淀粉酶、CaCl2、尿素、MgSO4、KH3PO4黑曲霉等。
（2）中间产品计算，重要有液化醪、发酵液量计算。
（3）成品、副产品及“三废”计算。
4.1.2工艺技术指标和基本数据
（1）生产规模：
年产5000t柠檬酸。
（2）生产办法：
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t，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0U/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总反映式
（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
100×（162÷192）＝84.375kg
（3）生产100kg成品无水柠檬酸理论淀粉消耗量84.375×99.8%＝84.206kg
（4）生产100kg无水柠檬酸实际淀粉消耗量
84.206÷86%＝100.245kg
（5）生产100kg无水柠檬酸玉米粉消耗量
100.245÷70%＝143.207kg
（6）耐高温α-淀粉酶消耗量
100.245×18÷0＝0.0902kg
耐高温α-淀粉酶酶活力为0U/g，用量为8U/g玉米粉.
4.2.2液化醪量计算
玉米粉和水按1：
4.5比例混合，加入0.1%CaCl2，关于计算如下：
（1）玉米浆量：
143.207×5.5＝787.639kg
（2）CaCl2用量：
787.639×0.1%＝0.788kg
（3）干物质含量为B0＝87%玉米粉比热容C0为：
4.18×（1―0.7B0）＝1.63kJ/（kg·k）
玉米浆干物质浓度B1为：
87÷（5.5×100）＝15.82%
液化醪比热容为：
C1＝B1C0＋（1.0―B1）CW
＝15.82%×1.63＋（1.0―15.82%）×4.18
＝3.78kJ/（kg·k）
CW——水比热容，KJ/（kg·k）
为简化计算，假定液化醪比热容在液化过程中维持不变。
（4）经第一种喷射液化器加热后玉米浆量：
7876.39＋[7876.39×3.78×（105―60）/（2748.9―105×4.18）]＝8456.38kg16
2748.9——喷射液化器加热蒸汽（0.5MPa）焓，KJ/kg
（5）第一种真空冷却器出来玉米浆量：
8456.38―[8456.38×3.78×（105―97）÷2264.0]＝8343.43kg
2264.0——真空冷却温度97℃下饱和蒸汽汽化潜热，KJ/kg
（6）层流罐出来玉米浆量：
8343.43―[8343.43×3.78×（97―95）÷2269.1]＝8315.63kg
2269.1——层流罐维持温度95℃下饱和蒸汽汽化潜热，KJ/kg
（7）第二个喷射加热器出来玉米浆量：
8315.63＋[8315.63×3.78×（130―95）/（2748.9―130×4.18）]＝8814.45kg
2748.9——喷射液化器加热蒸汽（0.5MPa）焓，KJ/kg
130℃——灭酶温度
（8）高温维持罐出来玉米浆量：
高温维持时间是8min，蒸发量每小时为8%，故蒸发水分量：
8814.45×8%×8/60＝94.02kg
故流出量：
8814.45―94.02＝8720.43kg
（9）第二个真空冷却器出来玉米浆量：
8720.43―[8720.43×3.78×（130―97）÷2264.0]＝8239.96kg
2264.0——真空冷却温度97℃下饱和蒸汽汽化潜热，KJ/kg
（10）液化罐出来液化醪量：
8239.96―[8239.96×3.78×（97―95）÷2269.1]＝8212.51kg
2269.1——层流罐维持温度95℃下饱和蒸汽汽化潜热，KJ/kg
（11）液化清液量：
液化醪通过滤除去玉米渣45kg，得液化清液776.251kg。
4.2.3发酵液量计算
成品柠檬酸中柠檬酸量：
100×99.8%＝99.8kg
发酵液中柠檬酸量：
99.8÷88%＝113.409kg
发酵液总体积：
113.409÷14%＝810.065m3
尿素耗量：
810.065×0.9%＝7.291kg
KH3PO4耗量：
810.065×0.1%＝0.810kg
MgSO4耗量：
810.065×0.25%＝2.025kg
4.2.4离子互换树脂计算
（1）8310#弱碱性阴离子互换树脂
8310#弱碱性阴离子互换树脂技术参数如下：
型式：
羟型
粒度：
20～60且＜90
水分：
60%～70%
强度：
＞90%
湿视密度：
0.65～0.75g/ml
互换容量：
0.8～1.0g/g干树脂
每100kg柠檬酸所
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