柠檬酸发酵车间工厂设计

目录

1 前言 (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 (3)

2 生产工艺 (4)

2.1 生产方法 (4)

2.2 工艺流程 (4)

2.3 操作工艺 (5)

2.3.1 原料的处理 (5)

2.3.2 发酵工序 (5)

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 (7)

3.1.3 发酵醪量的计算 (7)

3.1.4 接种量的计算 (8)

3.1.5 液化醪量的计算 (8)

3.1.6 成品柠檬酸 (8)

3.1.7 年产5万吨一水柠檬酸总物料衡算 (8)

3.2 热量衡算 (9)

3.2.1 液化热平衡计算 (9)

3.2.2 发酵过程中蒸汽耗量的计算 (9)

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 (11)

4 设备选型 (12)

4.1主要设备的选型 (12)

4.1.1 发酵罐的选型 (12)

4.1.1.1 发酵罐容积和台数的确定 (12)

4.1.1.2 发酵罐主要尺寸计算 (12)

4.1.1.3 发酵罐冷却面积计算 (13)

4.1.1.4 发酵罐搅拌器的计算 (13)

4.1.2 种子罐的选型 (14)

4.1.2.1 种子罐容积和台数的确定 (14)

4.1.2.2 种子罐主要尺寸计算 (14)

4.1.2.3 种子罐型号的确定 (15)

4.2 辅助设备选型 (15)

4.2.1 调浆桶的选型 (15)

4.2.2 喷射加热器的选型 (15)

4.2.3 其它辅助设备 (16)

5 全厂车间布置概况 (17)

5.1 厂址选择 (17)

5.1.1 厂址选择的一般性原则 (17)

5.1.2 本设计的厂址选择 (18)

5.2 车间布置 (18)

5.2.1 车间布置的基本原则和要求 (18)

5.2.2 本设计的车间布置 (19)

5.3 发酵厂卫生问题 (19)

6 废物处理 (20)

6.1 发酵工厂污染概况 (20)

6.2 柠檬酸工厂的“三废”处理 (20)

6.2.1 柠檬酸发酵有机废水的处理 (20)

6.2.2 柠檬酸发酵废气的处理 (21)

6.2.3 柠檬酸发酵废渣的处理 (22)

7 设计评估及感想 (22)

参考文献 (24)

年产50000t柠檬酸发酵车间工厂设计

1 前言

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（citric acid），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。

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3CaCO 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42SO H 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4CaSO 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。

图2-1 柠檬酸生产工艺流程示意图

2.3操作工艺

2.3.1 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。

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: 50000t/a99.5%一水柠檬酸折合45812.72t/a99.5%无水柠檬酸；

②生产天数：每年300天；

③无水柠檬酸日产量：45812.72/300=152.71t/d

④产品质量：国际食用柠檬酸质量分数99.5%，实际产率98%，副产品约2%；

⑤薯干粉成分：含淀粉量70%，水分13%;

⑥α-淀粉酶用量：8U/g原料；

⑦操作参数：淀粉糖转化率98.5%，糖转化率95%，提取阶段分离回收率95%，精制阶段收率98%，得率99%（倒罐率1%），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）

3.1.2 原料消耗计算(以一顿成品柠檬酸为基准)

年产5万吨一水柠檬酸，折合成无水柠檬酸，按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”，无水柠檬酸为：50000/1.0914=45812.72t/a ①生产无水柠檬酸的总化学反应式：

(C

6H

10

O

5)n

+ nH

2

O +3n/2 O

2

= n C

6

H

8

O

7

+2nH

2

O

162 192

X 1000

②生产1000㎏99.5%无水柠檬酸所需的理论淀粉消耗量：

X=1000×162÷192×99.5%=839.53㎏

③生产1000㎏99.5%无水柠檬酸所需实际淀粉消耗量：

X÷﹙98.5%×95%×95%×98%×99%﹚=973.4㎏

④生产1000㎏99.5%无水柠檬酸所需实际薯干粉原料消耗量：

973.4÷70%=1390.57㎏

⑤α-淀粉酶消耗量：使用酶活力为20000U/g的α-淀粉酶使淀粉液化α-淀粉酶按 8U/g原料计算 1390.57×1000×8÷20000=0.56㎏

3.1.3 发酵醪量的计算

根据发酵液转化率为13%：

1000×99.5%÷（95%×98%×13%﹚= 8221.1㎏

3.1.4 接种量的计算

接种量为发酵醪量的10%，则：

8221.1÷（10%+100%）×10%=747.37㎏