年產20000噸檸檬酸提取車間設計

本文從檸檬酸及其用途，總體工藝建設方案，原料及其處理，發(fā)酵及醪液處理工藝，粗提與精制工藝蒸發(fā)、結晶、分離、干燥等幾個方面，簡介工藝設計中的基本方法。在本工程的設計中，原料處理及發(fā)酵工藝的確定。我設計了年產20000噸檸檬酸廠的提取車間，完成了工藝流程和車間布置的設計。采用了玉米干法脫胚粉碎或薯干直接粉碎調漿、液化（玉米液化漿）壓濾、低壓連續(xù)噴射滅菌，液體深層發(fā)酵的工藝路線。在提取精制工藝方面，本設計提取工藝仍采用鈣鹽提取的工藝路線。此法工藝成熟、原材料易得、操作方便、產品質量穩(wěn)定，而且總收率達到80%-90%。設計中我盡量減少設備費用，充分提高設備和車間空間的利用率，查閱了有關化工設備設計手冊，并通過仔細計算，嚴格地選取設備。最后繪制工藝流程圖、提取車間設備布置圖，編寫了詳細的設計說明書。關鍵詞：檸檬酸提取工廠設計AbstractInthispaper,andtheuseofcitricacid,theoveralltechnologydevelopmentprograms,materialsandprocessing,mashfermentationandprocessingtechnology,thecrudeandtherefiningprocessevaporation,crystallization,separation,dryingareas,briefingthebasicmethodofprocessdesign.Idesignedannualoutputof20,000tonsofcitricacidplantextractionplant,completingthedesignprocessandplantlayout.Usesdrygermofmaizecrushingorgrindingmixingdrymatterdirectly,liquefied(liquefiedcornsyrup)filterpress,continuouslowpressurespraysterilization,submergedfermentationprocessroute.Intheextractionandpurificationprocess,theextractionprocessofthedesignprocessisstillusingcalciumextractionline.Thismethodismaturetechnology,rawmaterialsreadilyavailable,easytooperate,stableproductquality,andthetotalyieldof80%-90%.Idesigntominimizeequipmentcosts,maximizetheutilizationofequipmentandworkshopspace,accesstoinformationonchemicalequipmentdesignmanual,andthroughcarefulcalculationandstricttoselectthedevice.Finally,Wewilldrawingflowchart,extractionplantequipmentlayout,Andtopreparedetaileddesignspecifications.Keywords:CitricacidextractplantdesigniiTOC\o"1-5"\h\z摘要 iAbstract ii\o"CurrentDocument"1緒論 1\o"CurrentDocument"檸檬酸發(fā)展簡史 1\o"CurrentDocument"國內外檸檬酸生產情況及展望 2\o"CurrentDocument"設計依據 4\o"CurrentDocument"2工藝流程設計 5\o"CurrentDocument"生產方法的選擇 5\o"CurrentDocument"工藝條件的確定 7檸檬酸的生物合成 7糖化工藝 9發(fā)酵工藝 11提取工藝 14\o"CurrentDocument"3工藝計算 18\o"CurrentDocument"計算依據 18生產能力 18主要技術經濟指標 18\o"CurrentDocument"提取車間物料衡算 18\o"CurrentDocument"4提取車間設備計算及選型 20\o"CurrentDocument"板框過濾機 20\o"CurrentDocument"低位儲罐 21\o"CurrentDocument"濾渣洗水儲罐 21\o"CurrentDocument"碳酸鈣調漿桶 21\o"CurrentDocument"CaCO3高位儲罐 22\o"CurrentDocument"中和桶 22\o"CurrentDocument"檸檬酸鈣過濾機 22\o"CurrentDocument"酸解鍋 23\o"CurrentDocument"CaSO4過濾 23\o"CurrentDocument"酸解液儲罐 24\o"CurrentDocument"CaSO4洗水罐 24\o"CurrentDocument"熱水儲罐 25\o"CurrentDocument"酸儲罐 25\o"CurrentDocument"H2S04高位儲罐 25\o"CurrentDocument"真空抽濾罐 25\o"CurrentDocument"水汽衡算 26\o"CurrentDocument"5提取車間布置說明 29\o"CurrentDocument"設計依據 29建筑設計規(guī)范 295.2.1基礎資料 29\o"CurrentDocument"5.2車間布置說明 29車間組成 29廠房布置 29結論 30\o"CurrentDocument"致謝 31參考文獻 32II1緒論檸檬酸是無色半透明晶體或白色結晶性粉末，無臭，有強烈的令人愉快的酸味，其在溫暖空氣中漸漸風化，在潮濕空氣中有潮解性。根據結晶條件不同，它的結晶形態(tài)有無水檸檬酸和含結晶水檸檬酸。商品檸檬酸主要是無水檸檬酸(C6H8O7)和異檸檬酸(C6H8O7?H2O)。異檸檬酸由低溫(低于36.6℃)的水溶液中結晶析出，經分離干燥后的產品，分子量210.14，熔點70—75℃，密度1.542。放置在干燥的空氣中，異檸檬酸中的結晶水會逸出風化。無水檸檬酸是在高于36.6℃的水溶液中結晶析出的，分子量192.12,密度1.665。異檸檬酸轉變?yōu)闊o水檸檬酸的臨界溫度為36.6士0.15℃。檸檬酸(citricacid)，學名2-羥基丙烷三竣酸，分子式C6H8。7。為無色透明斜方晶系晶體顆粒，或白色結晶性粉末。無臭，有很強的酸味，味閾值為0.0025%。在溫暖的空氣中漸漸風化，在潮濕空氣中微有潮解性。檸檬酸易溶于水，能溶于乙醇，而不溶于乙醚、氯仿、苯、CS2、CCl4及脂肪酸。檸檬酸的分子結構式如下CH2—COOHHO—C—COOHCH2-COOH檸侵嬖分子式 Q檸檬酸發(fā)展簡史檸檬酸是一種弱有機酸。它是一種天然的防腐劑/保守主義者,也用來增加,或酸的酸性,嘗嘗食物和飲料和點心。在生物化學、共軛基地檸檬酸、檸檬酸鈉，是很重要的，因為一個中間檸檬酸循環(huán),并因此發(fā)生在人體的新陳代謝幾乎所有活的東西。它也可作為有益于環(huán)保清洗劑。它可以引起嚴重的發(fā)炎的皮膚和可能的輕度皮膚灼傷。如今改革的浪潮撲打著整個中華大地，各行各業(yè)欣欣向榮，作為用途廣泛的食品添加劑，檸檬酸的需求日趨增長，因此我們檸檬酸的生產與研究者必須滿懷信心，為推動檸檬酸的發(fā)展貢獻自己的力量。檸檬酸的研究和生產已有300年的歷史。早在1784年，瑞典化學家Scheel首次從檸檬汁中提出檸檬酸并結晶出固體檸檬酸。1838年，由Liebig鑒定出它是一種含有一個羥基的三元酸。隨后，在1860年意大利開始從果汁中用添加石灰乳的辦法得到檸檬酸，從而進行了工業(yè)化生產。到1913年,Zahorski首先利用黑曲霉生產檸檬酸。1916年，美國農業(yè)部華盛頓化學局微生物研究室主任Thom和同事Currie對黑曲屬的許多菌株進行過普查，發(fā)現很多菌種能產檸檬酸。1919年，比利時一家工廠成功地進行了淺盤發(fā)酵法生產檸檬酸。1923年，美國Pfizer公司開始采用黑曲霉淺盤發(fā)酵法工業(yè)化生產檸檬酸。1938年，Perquin在荷蘭發(fā)表論文，他將黑曲霉培養(yǎng)于低pH的含硫酸鋅、氯化鉀和氯化銨的糖溶液中獲得了一些檸檬酸，對深層培養(yǎng)法的pH控制，提出了有力的證據。1944年，Szucs應用純蔗糖，在9d內發(fā)酵檸檬酸，可得到92%的產率，但因時間太長，未能投產。1952年，Buelow和Johnson等用150g/L蔗糖培養(yǎng)液通入無菌空氣，通氣量增加，檸檬酸發(fā)酵時間可縮短，這對檸檬酸發(fā)酵條件控制，有了進一步地認識。1952年，美國Miles公司，首先成功地采用深層發(fā)酵法工業(yè)化規(guī)模生產檸檬酸。檸檬酸存在于大于微量用各種各樣的水果和蔬菜，尤其是柑桔屬水果。檸檬和酸橙有特別高的酸濃度;它能構成了8%的干重（約47這些水果總帳的果汁杯［4］）。檸檬酸濃度變化對柑橘類水果范圍從0.005組分/L橘子和葡萄為0.30組分/L在檸檬和酸橙。同一物種，這些價值取決于品種和環(huán)境造成的，果實成長。解放前我國檸檬酸工業(yè)是個空白.20世紀50年代末和60年代初，我國金其榮等人進行了檸檬酸發(fā)酵的菌種研究。1968年我國第一家以淀粉為原料深層發(fā)酵檸檬酸成功投產的廠是上海酵母廠。1995年金其榮與蚌埠檸檬酸廠共同開發(fā)了玉米去渣發(fā)酵新工藝。同年黑龍江甘南檸檬酸廠干脫胚玉米去渣發(fā)酵工藝也成功投產。國內外檸檬酸生產情況及展望檸檬酸的生產始于18世紀80年代，最初以從柑橘中提取天然檸檬酸為主。1923年，美國菲澤公司建造了全球第一家以黑曲霉淺盤發(fā)酵法生產檸檬酸的工廠。此后，發(fā)酵法制取檸檬酸逐漸取代了從柑橘中提取天然檸檬酸的方法。目前，全球檸檬酸需求量約為150萬噸，并以年均3%?5%的速度遞增。其中，約50%用于飲料工業(yè)；食品工業(yè)占19%；洗滌劑和肥皂占15%?17%；醫(yī)藥和化妝品占7%?9%；其他工業(yè)用途占6%?8%。自21世紀以來，檸檬酸產業(yè)的競爭加劇，許多小企業(yè)紛紛退出該領域，這使全球檸檬酸的生產和進出口更加集中。目前，檸檬酸的主要產地有中國、美國和西歐。檸檬酸的主要出口國有中國、奧地利、捷克、美國、英國、愛爾蘭、德國、巴西、荷蘭、哥倫比亞。2005年上半年，全球檸檬酸總出口量為36.5萬噸，上述十國的出口量之和占全球總出口量的92.6%。我國從20世紀60年代開始生產檸檬酸，近10年來，由于出口的刺激，生產能力和產量增長很快。1985年我國檸檬酸的產量只有3.7萬噸/年，到2001年產量達約38.0萬噸/年，2002年達到約40.0萬噸/年。2004年我國檸檬酸總產量達54萬噸，創(chuàng)造產值35億元。2007年國內檸檬酸產量76萬噸，共出口70.83萬噸，檸檬酸生產企業(yè)近百家，總產量居世界第一，出口遍布美國、比利時、日本、荷蘭等國，是世界上最大的檸檬酸出口國。我國檸檬酸工業(yè)的技術改造和新技術開發(fā)近年來已有長足的發(fā)展、但和世界發(fā)達國家相比，顯然還達不到他們的水平。因屬于污染大戶而被核查整改的檸檬酸產業(yè)，有望在不久的將來誕生新的《檸檬酸工業(yè)污染物排放國家標準》。與過去的標準相比，未來的方向只會是越來越嚴格。目前，全國檸檬酸年產能已達100萬噸，占世界的70%左右；年產量達70余萬噸，占世界的65%左右；年出口量50萬噸，占世界貿易量超過了50%。檸檬酸全球市場近年來年均增長率在7%左右。德國和美國是世界上兩個最大的檸檬酸進口國，年進口量約為10萬噸和8萬噸。我國是世界上最大的檸檬酸出口國，主要出口到美國、歐洲、日本等地。近年來我國檸檬酸出口量年均增幅達15%左右。美國是我國最大的檸檬酸出口目的地國，對其年出口量達6萬噸，占我國出口總量的12%左右。我國檸檬酸生產企業(yè)眾多，廠家遍布全國各地，2001年之前，檸檬酸企業(yè)的數量達到了最高峰，多達120多家，其中不乏產能低下、污染嚴重的小型企業(yè)。從2003年開始，經過數年市場調整，產能不斷向大企業(yè)集中?，F在全國有20多家企業(yè)生產，銳減了80%以上。規(guī)模較大的企業(yè)為安徽豐原、山東檸檬、宜興協聯、日照泰山、無錫帝斯曼、安徽華源、濰坊匯源、山東汾河、黃石興華，產量合計占全國的80%以上。2009年第一季度帝斯曼關閉位于江蘇無錫的帝斯曼檸檬酸生產廠，其檸檬酸生產將集中到現位于比利時的工廠。而無錫帝斯曼檸檬酸廠已經停產。當初帝斯曼在我國無錫建廠，無非是看中我國低廉的原材料和勞動力等生產成本。但近年來這些因素都發(fā)生了很大變化。從生產成本看，生產檸檬酸的主要原料是玉米、紅薯等。由于生活水平的不斷提高，前幾年我國市場上玉米、薯干等粗糧呈供大于求的狀況，價格十分低廉，用它們生產檸檬酸原料具有價格優(yōu)勢。但近年來，我國玉米等糧食價格有較大幅度上漲。此外，我國勞動力工資、環(huán)保支出等費用也有較大上升。檸檬酸生產及運輸還需耗用大量能源，而能源價格也漲幅驚人。因此，檸檬酸低成本辦廠的優(yōu)勢在不斷減少。從國內市場看，我國是一個有13億人口的大國，有廣闊的市場，但多年來，國內檸檬酸市場需求量增長緩慢。我國檸檬酸主要消費于食品和飲料市場，其他還有醫(yī)藥、化妝品、洗滌劑以及工業(yè)領域。近年來國內需求不斷增長，2005年市場年消耗量約為14.5萬噸，目前的年消耗量增加至17萬噸。更主要的是，近年來我國檸檬酸產能增長過快，前幾年很多地方為解決當地玉米等糧食深加工問題，紛紛擴大檸檬酸產能。僅2005年，全國就新增12萬噸產能，2006年產能又擴大10噸，市場已形成供遠大于求的局面。目前，全國檸檬酸產能已過剩30%?40%,2002年，我國檸檬酸開工率為63%,現在僅為50%上下。多年來，我國檸檬酸生產企業(yè)一直是靠低價推銷產品，不但出口產品價格比國際市場平均低20%,國內市場各企業(yè)也壓價促銷，從目前產銷形式看，2009年產能過剩的狀況還將持續(xù)下去。多年來我國國內市場對檸檬酸的需求平穩(wěn)，增長幅度緩慢。2001年國內市場檸檬酸消耗量為9.3萬噸，2003年為11.8萬噸，2005年為14.5萬噸，目前為17.3萬噸。人均年消耗量約為0.13公斤，而發(fā)達國家人均年消耗量為1.5?2公斤。一些國外應用量很大的領域在我國還較少應用，因此，大力拓展國內市場十分必要。檸檬酸在國內食品、飲料中的應用前景十分廣闊。我國檸檬酸產品主要以低端產品為主，價格偏低。面對日趨激烈的市場競爭，生產企業(yè)應加大技術投入，向下游開發(fā)高檔次產品。如無水檸檬酸具有不結塊、利于運輸、貯存和使用等特點，國外近年對無水檸檬酸需求增長迅速，是檸檬酸產品發(fā)展的方向之一。此外，我國檸檬酸深加工產品品種少，不及國外的一半。目前美國藥典已經收載的檸檬酸下游產品有檸檬酸鈣、檸檬酸鐵、檸檬酸氫二胺、檸檬酸鐵銨、檸檬酸鋅等等。這些產品在國內的生產和應用已經起步，我國企業(yè)應借此契機向精細化、多元化、系列化方向發(fā)展。設計依據畢業(yè)設計說明、書新華揚生物有限公司生產實習報告、書本知識及查閱的相關資料。2工藝流程設計工藝流程設計是工藝設計的主要內容，是決定工廠的工藝計算生產設備的關鍵步驟。其主要任務包括兩個方面：其一是確定由原料到成品的各個生產過程及順序，及說明生產過程中物料和能量發(fā)生的變化及流向，應用了那些生物反應或化工過程及設備。其二是繪制工藝流程圖。生產工藝流程的設計往往經歷三個階段，即：生產工藝流程示意圖一生產工藝流程草圖一生產工藝流程圖。具體的說，生產方法和工藝條件的確定。在本章節(jié)中我主要是針對工藝流程示意圖的設計。生產方法的選擇目前生產檸檬酸的主要方法有水果提取法、化學合成法以及生物發(fā)酵法三種。國內生產檸檬酸的廠家主要有安徽豐原生化股份有限公司、江蘇無錫羅氏中亞檸檬酸有限公司、安徽華源生物藥業(yè)有限公司、湖北黃石興華生化有限公司等近10家大型企業(yè)。年生產能力約為50萬噸，大部分企業(yè)使用的是生物發(fā)酵法。水果提取法：水果提取法是早期制取檸檬酸的方法，在發(fā)酵法未出現之前，持續(xù)了大約50年的時間。檸檬酸可以從檸檬、橙、橘子、蘋果等檸檬酸含量較高的水果中提取。該法是從未成熟的檸檬、柑橘等水果中壓榨出果汁，然后和石灰乳混合，生成檸檬酸鈣沉淀，再用硫酸處理，得到不含雜質的檸檬酸溶液。鹽溶液經濃縮結晶即可得出檸檬酸產品。當今，水果的生產已經產業(yè)化，水果產量也隨之增加，并且比較集中，在考慮生態(tài)果園和綜合利用時，可以利用這種方法來提取檸檬酸。此法成本較高，不利于投入工業(yè)化生產。化學合成法：化學合成法使用的原料是丙酮，二氯丙酮或乙烯酮。以二氯丙酮為原料的技術路線Cl—CH?、ZC=OCl—Cl—CH?、ZC=OCl—CH2+HCN.Cl-CH2X夕H丁C\Cl-CH2 CN+H2O-nh3Cl-CH2、?HJC,Cl—ch2 cooh+HCN.—2HClNC—CH2、?HCxNC—CH2 COOH+4H2O—NH3HOOC—CH、OH

2C、HOOC—CH2 COOH此法制取檸檬酸的工藝復雜，成本高，安全性低，很少使用。生物發(fā)酵法檸檬酸的生物發(fā)酵法有多種發(fā)酵工藝，有固體表面發(fā)酵法，表面發(fā)酵法，深層發(fā)酵法，石油烴（正構烷烴）發(fā)酵法等等，目前生物發(fā)酵法主要采用前三種方法為主。使用的主要原料有薯干，木薯，馬鈴薯，蜜糖，正烷烴等。還有用玉米的，小麥淀粉的水解液，制備葡萄糖的母液等均可生產檸檬酸。無論使用何種微生物，也無論采用哪一種發(fā)酵方法，檸檬酸發(fā)酵都是好氣性的，即檸檬酸發(fā)酵是好氧發(fā)酵。表面發(fā)酵法此法又稱淺層發(fā)酵法。它是利用生長在液態(tài)培養(yǎng)基表面的微生物的代謝作用，將可發(fā)酵性原料轉化為檸檬酸。這種工藝出現最早，它在1923年首先由美國Chas.Pfizer公司實現了工業(yè)化，至今工業(yè)上仍然沿用，主要用于糖蜜原料的發(fā)酵。其工藝過程為：將原料先放入煮沸鍋內加水煮沸，依次加黃血鹽和ETDA二鈉鹽煮沸滅菌，再用無菌水配成培養(yǎng)基液，加入適量的硫酸銨、磷酸二氫鉀作為氮源和營養(yǎng)鹽，將培養(yǎng)基液在45?50℃下送入發(fā)酵室內裝入淺底的鋁盤或不銹鋼盤中，干抱子接入黑曲霉干抱，發(fā)酵；過濾掉菌絲后將發(fā)酵液中和、酸解、凈化、濃縮、結晶等后處理而得檸檬酸。該方法具有設備簡單，投資少投產快，操作簡單，能耗低；原料粗放，產酸濃度高等優(yōu)點。但也有占地面積大，勞動強度高，發(fā)酵時間長，菌體生成量影響產酸率等缺點。固體發(fā)酵法也屬淺盤發(fā)酵法的一種，是將固體原料與曲霉菌絲體混合，經過微生物的代謝活動，將原料中的可發(fā)酵成分轉化為檸檬酸。此法雖然較落后，但可利用薯渣等固體原料進行發(fā)酵，發(fā)酵后的殘渣仍可作為飼料。采用固體發(fā)酵所用儀器設備簡單，投資少，操作簡便，原料粗放，發(fā)酵時間短，但其占地面積大，勞動強度大，產酸率及提取率低，副產物多。因為該法有一些優(yōu)點，故有存在的價值。深層發(fā)酵法和表面發(fā)酵的基本原理相似，只是發(fā)酵過程發(fā)生在密閉的大型發(fā)酵罐內，菌體的生長分散在整個液體介質內。深層發(fā)酵的關鍵設備是發(fā)酵罐。發(fā)酵罐通常由罐體、攪拌、冷卻裝置和空氣分布器等組成。配制好的發(fā)酵原料經滅菌、冷卻后，將培養(yǎng)的優(yōu)育菌種先接種于種子罐，再轉移至發(fā)酵罐。發(fā)酵期間罐內始終通入無菌空氣，以增加培養(yǎng)基內的溶解氧，注意控制發(fā)酵溫度、pH、通氣量及攪拌速度，維持菌體的生長。該方法的優(yōu)點是：發(fā)酵體系為均一的液體，傳熱傳質良好；設備占地面積小，生產規(guī)模大；發(fā)酵速率高，時間短；產酸率高，菌體生成量小，原材料消耗低；便于機械化操作；發(fā)酵副產物少，產品得率高，產品質量高等，從而使其成為當今世界生產檸檬酸的最主要的方法。石油烴（正構烷烴）發(fā)酵法采用解脂覆膜抱酵母為菌種，以石油為原料發(fā)酵生產檸檬酸是基于分解長鏈烷烴的能力，先通過一端氧化產生長鏈脂肪酸，誘發(fā)子鏈打開，借6氧化或①-氧化作用成為短鏈脂肪酸，然后進入三較酸循環(huán)產生檸檬酸，反應歷程如下：C16H34+°-5O2+H2O-C16H32O2+2H2C16H32O2+16H2O+ATP-8JH4O2+14H2+AMP+2Pi3c2H4。2+H2O-C6H8O7+3H2工藝條件的確定檸檬酸的生物合成（1）檸檬酸發(fā)酵機理檸檬酸產生菌黑曲霉在生長期和產酸期都存在著EMP和HMP代謝.說明葡萄糖的降解是通過兩條途徑共同完成的。但是，在生長期EMP：HMP為2：1,而產酸期兩者的比例為4：1,即產酸期有80%的葡萄糖是通過EMP代謝的。這是因為在生長期需要通過HMP提供合成核糖等所需的前體物質，產酸期葡萄糖主要通過EMP降解，對檸檬酸的發(fā)酵生產是非常重要的。因為1mol葡萄糖經EMP降解可得到2mol丙酮酸，再經脫竣和C02固定后，可使1mol葡萄糖合成1mol檸檬酸，這樣就能獲得較高的糖酸轉化率（以質量計，葡萄糖合成檸檬酸的理論轉化率為l06.7%,對一水檸檬酸的理論轉化率為116.7%）。在檸檬酸積累的條件下，TCA循環(huán)已被阻斷。因此，合成檸檬酸所需的草酰乙酸必須由含二碳的較酸來提供。已知丙酮酸（PYR）和磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）均能經催化作用固定 co2而形成草酰乙酸。經證實，在黑曲霉產檸檬酸階段主要是通過丙酮酸竣化酶的催化作用，使丙酮酸固定CO2而形成草酰乙酸。圖1黑曲霉產檸檬酸途徑（2）檸檬酸生產菌種很多微生物都能生產檸檬酸，例如：黑曲霉,棒曲霉,文氏曲霉，泡盛曲霉,芬曲霉,丁烯二酸曲霉,淡黃青霉,桔青霉等，以及假絲酵母屬中的一些種。至今世界上消費的檸檬酸主要采用發(fā)酵法生產，而最具優(yōu)勢的是黑曲霉和解脂假絲酵母等菌種的深層發(fā)酵法.在現代，糖質原料發(fā)酵使用黑曲霉，因為它的檸檬酸產量最高，且能利用多樣化的碳源.所以本設計擬采用黑曲霉G23-4菌種作為生產用菌種。（3）檸檬酸生產原料I糖類：a薯類：甘薯木薯馬鈴薯甘薯干木薯干馬鈴薯干薯渣b谷類：玉米小麥或小麥面粉大米c淀粉：各種谷類薯類加工成的淀粉d砂糖：白砂糖赤砂糖糖蜜e淀粉糖：由淀粉水解而得到的各種單糖雙糖糊精葡萄糖母液II正烷烴液體石蠟：10-20碳鏈的餾出物III其他果實下腳料：葡萄、菠蘿、柑橘、蘋果等果實加工的殘渣糧食加工下腳料：各種糧食加工的下腳料。凡是能通過微生物代謝而產生檸檬酸的物質，都可以作為發(fā)酵檸檬酸的原料。但從工業(yè)成本考慮，多采用廉價符合要求的原料。一般工業(yè)選擇原料的標準如下:a原料中可利用成分高，無抑制檸檬酸生產菌生長和產酸的物質極少。或容易除去，能滿足工藝要求。b能就近取材，原料來源豐富，便于采購、運輸、適于大量儲存，保證生產上的供應。c原料成分對產品的提取、精制無影響。d價格便宜。由于黑曲霉使用糖質原料，檸檬酸產量最高。目前，一般使用甘薯、木薯、馬鈴薯、玉米等。本設計將以玉米作為生產用原料。表1整粒玉米的化學成分（％）（干物質）如下化學成分蛋白質淀粉糖脂肪纖維素灰分范圍6.5~13.271.6~73.41.05~2.823.6~6.51.5~2.511.04~2.07平均值9.6721.584.91.921.562.2.2糖化工藝采用淀粉質原料生產檸檬酸，黑曲霉不能直接利用玉米。只能將其糊化、糖化為葡萄糖，方能供發(fā)酵生產用。9（1）液化的方法及選擇I酸法：以強酸為催化劑，高溫、高壓條件下進行，液化程度較難掌握II機械液化：破壞淀粉顆粒表面和結晶結構III酶法：用a-淀粉酶，在中性溶液，常溫、常壓條件下進行，液化程度容易掌握。此法適應于檸檬酸工業(yè)。其方法按工藝條件分：有間歇液化法（直接升溫液化法）、半連續(xù)液化法（高溫液化法）、連續(xù)液化法（噴射液化法）；按設備條件分：罐式、管式、噴射式；按加酶方式分：一次、二次、三次加酶多段液化工藝。本設計擬采用連續(xù)液化法（2）檸檬酸的噴射液化工藝I噴射液化噴射液化是在噴射器中進行瞬間液化,高壓蒸汽通過噴嘴，使噴射器的內腔形成真空，混有a-淀粉酶的淀粉乳，在此力的引吸下，呈薄膜狀進入噴射器內腔，隨即與蒸汽混合形成湍流，料溫驟升至100-120℃,瞬間完成了糊化、液化、淀粉糊粘度迅速下降，形成流體從噴射器下部出料口排至保溫系統(tǒng)，恒溫90℃維持30-60分鐘，達到需要的液化溫度。此法的優(yōu)點是液化均勻完全、已切斷的淀粉連不易重新聚合、蛋白質類雜質凝固好，過濾性能佳、設備體積小、可連續(xù)化操縱、噴射液化最適合用耐高溫。-淀粉酶。但這類噴射器，要求在穩(wěn)定的0.4-0.6MPa的飽和蒸汽條件下操作。II工藝流程稀石灰水!玉米f浸泡f粉碎脫胚f原漿f調漿PH值6.4?7.0f一次噴射液化溫度為95℃?97℃f層流f二次噴射液化溫度為140℃?145℃f閃冷f中溫液化溫度在90℃左右f調節(jié)PH4.8?5.2f過濾去稀HCl或稀H2SO4。I工藝操作用溫水將玉米調成漿乳，加稀石灰水調整pH至6.4-7.0,加需要酶量的2/3,備用。通蒸汽進噴射器、保溫系統(tǒng)，待出口溫度達90℃以上時，打開漿料回流閥，開始將漿料泵入噴射器進行液化，出料口溫度達到95-97℃時，關小回流閥，料液進入層流罐，在90-95℃10條件下，維持30-60分鐘，然后進行二次噴射，料溫達到140-145℃,進入維持管維持3-5分鐘后，經閃冷器迅速降溫后落入二次液化罐中，加余下的1/3淀粉酶，在90℃左右維持30分鐘，碘檢查無藍色反應，然后用稀酸調pH至4.8-5.2,趁熱過濾去渣。調整好氮源之后，經連消或實消后發(fā)酵。發(fā)酵工藝（1）菌種的擴大培養(yǎng)菌種的擴大培養(yǎng)是檸檬酸發(fā)酵工藝所要求的。其目的是以少量的檸檬酸產生菌原種開始，經過幾代繁殖培養(yǎng)，以獲得足夠數量的純的（無雜菌感染）活力強的菌種培養(yǎng)物供發(fā)酵生產接種之用。黑曲霉檸檬酸發(fā)酵的接種物是黑曲霉分生抱子，所以這一過程又稱為干抱子生產。接種質量的好壞是檸檬酸發(fā)酵成敗的關鍵。對抱子質量的要求是：形態(tài)整齊均一，無雜菌污染，發(fā)芽率高，發(fā)芽后生長速度適當，產酸活力高，無老化現象。擴大培養(yǎng)：原始菌種f試管斜面f麩曲菌種f種子罐（2）培養(yǎng)基的滅菌滅菌要求是，恰當掌握滅菌的溫度和時間，達到既能殺死培養(yǎng)基中的各種微生物，又要最大限度地保持其中的營養(yǎng)成分。目前發(fā)酵工業(yè)液體發(fā)酵培養(yǎng)基的滅菌方法仍然采用濕熱蒸汽滅菌。蒸汽易獲得，溫度高、冷卻時放出大量潛熱而導致細菌芽抱死亡，是一種既簡單又價廉的有效滅菌方法。其滅菌的方式分為間歇式（實消）與連續(xù)式（連消）。I間歇式：操作簡單，不需其它設備，但由于中間時間長，因而設備利用率低，培養(yǎng)基中的營養(yǎng)成分易受破壞。II連續(xù)式：設備操作相對復雜，但事實上設備一直處于相對較熱和穩(wěn)定的溫度，熱利用率較高，培養(yǎng)基升溫快，加熱時間短，營養(yǎng)成分受破壞少，無死角，滅菌效果好適用于大量培養(yǎng)基的滅菌故本設計，發(fā)酵罐采用連消，種子罐采用實消。（3）曲霉檸檬酸發(fā)酵條件控制11I營養(yǎng)要求黑曲霉檸檬酸生產菌是化能異養(yǎng)微生物，只能利用有機碳源；要是黑曲霉檸檬酸產生菌大量生成和積累檸檬酸，必須控制營養(yǎng)物質的供給，使菌體生長受限制，處于半“饑餓”和代謝失調狀態(tài)。從檸檬酸生產角度看，葡萄糖、蔗糖、糊精是良好的碳源，工業(yè)上為降低生產成本，多采用廉價的甘薯、玉米、小麥及其淀粉、糖蜜等。高糖濃度是檸檬酸發(fā)酵的一大特征。黑曲霉偏好生理酸性無機氮，這是因為生理酸性氮中的銨離子被利用后，使培養(yǎng)基變酸，可以使發(fā)酵中的黑曲霉生長階段結束，進入產酸階段，PH下降到較低水平有利于檸檬酸的積累；機鹽是構成微生物生命活動不可缺少的物質。在檸檬酸發(fā)酵中，有的構成菌體，有的促進代謝，有的促進產酸等，因此對黑曲霉的生長和檸檬酸發(fā)酵具有重要的作用。附表2國外黑曲霉檸檬酸生產菌的培養(yǎng)基培養(yǎng)基組成生抱培養(yǎng)基/(g/L)發(fā)酵培養(yǎng)基/(g/L)蔗糖140140瓊脂200硝酸銨2.52.5磷酸二氫鉀1.02.5MgSO4?7H2O0.250.25Cu2+0.000480.00006Cu2+0.00380.00025Fe2+0.00220.0013Mn2+0.0010.00112附表3國內黑曲霉檸檬酸生產菌的培養(yǎng)基培養(yǎng)基組成生抱培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基斜面培養(yǎng)基麥芽汁10?120Bx蔗糖2%瓊脂2%麩曲培養(yǎng)基麥麩約70g濕麩皮/1000mL瓶薯干粉16%?20%(4)玉米液化液(總糖)13%?14%培養(yǎng)基組成生抱培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基斜面培養(yǎng)基麥芽汁10?120Bx蔗糖2%瓊脂2%麩曲培養(yǎng)基麥麩約70g濕麩皮/1000mL瓶薯干粉16%?20%(4)玉米液化液(總糖)13%?14%NH4NO34%?5%II溫度控制黑曲霉屬嗜熱微生物，般認為，深層液體發(fā)酵中，溫度低于28℃,導致長菌和產酸緩慢；高于37℃,導致菌體和雜酸形成過量，呼吸作用加強，影響糖酸轉化率。故最適生長溫度為33?37℃。IIIPH控制黑曲霉檸檬酸生產菌生長發(fā)育適宜pH3?7。其菌種生長期pH維持在4.5；檸檬酸積累時，產酸期的最適pH為2.0?3.0.pH3.0以上容易產生草酸，5.0容易生成葡萄糖酸，3.0以下是檸檬酸積累的條件。W接種量和接種方式接種量：直接決定于進入培養(yǎng)系統(tǒng)的抱子數量。在一定范圍內，抱子接種量與產酸數量成正比，隨著抱子接種量的增加，檸檬酸產率也提高。接種方式：采用抱子接種比菌絲接種效果好。因為采用抱子接種：a培養(yǎng)液中抱子數與接進種子罐的抱子相同；b件出現異常因素，抱子比菌球體更能適應；c較幼的種齡，前期產酸稍慢，培養(yǎng)基PH>3.0的時間延長，有利淀粉的充分糖化，后期產酸較快，后勁較足，則殘?zhí)禽^低；d次接種操作也就減少一次染菌機會，同時節(jié)約了相應設備的投資及13能耗。V溶解氧的控制黑曲霉檸檬酸生產菌是嚴格的好氧微生物，不管生長、繁殖、還是產酸均需要氧。菌體生長過程呼吸作用消耗大量氧氣，當菌體生長接近對數生長期時，需要氧達到最高峰，隨后菌體生長緩慢，進入產酸期，氧的消耗率降低，并持續(xù)到發(fā)酵終了。W泡沫的控制發(fā)酵過程中會產生大量泡沫，可能導致跑液或染菌。故可用甘油聚醚等消泡劑消泡，也采用機械消泡。機械消泡是借助機械力將泡打碎或借壓力使泡沫破裂，其優(yōu)點是不用在發(fā)酵液中加入其它物質，節(jié)省原料，減少染菌機會，缺點是不能從根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素，消泡效果不如化學消泡劑迅速可靠，需要一定的設備和動力?；瘜W消泡劑迅速可靠，用量少，效率高，故本設計選用化學消泡劑進行消泡。(4)工藝流程種子罐一麩曲菌種一試管斜面一原始菌種 環(huán)境空氣! !調節(jié)好的水解糖液f冷卻f發(fā)酵罐一無菌空氣一空氣凈化系統(tǒng)一空壓機一過濾!成熟發(fā)酵醪f去檸檬酸提取工段提取工藝成熟的檸檬酸發(fā)酵醪中，除含有主產物檸檬酸之外，還含有纖維素、菌體、有機雜酸、糖、蛋白類膠體物質、色素、礦物質及其他代謝產物等雜質，它們或來自發(fā)酵原料、或在發(fā)酵過程中生產，它們或溶存或懸浮于發(fā)酵醪中。通過各種理化方法，清除這些雜質，得到符合各級質量標準的檸檬酸產品的全過程，即為檸檬酸生產的下游工程。它是一個確保產物“豐收”，提高企業(yè)效益的生產系統(tǒng)工程。(1)檸檬酸提取方法14I鈣鹽離子交換工藝：其理論依據是將CaCO3或Ca(OH)2加入發(fā)酵清液中,形成檸檬酸鈣沉淀,然后將此沉淀與濃硫酸反應,形成硫酸鈣沉淀,析出檸檬酸溶液,再經過離子交換及濃縮結晶后，便可以得到檸檬酸晶體，此法工藝成熟、原材料易得、操作方便、產品質量穩(wěn)定，而且總收率也較高。II液-液萃取工藝：用有機溶劑做萃取劑，將水溶液中的主要產物萃取到有機相中富集，其他雜質留存于萃余相中被棄去，然后用純水從有機相中將主要產物反萃取到水相中富集，從而得到較純的產物。國內的萃取工藝和設備不夠完善、反萃取水相檸檬酸濃度太低、萃余液的出路未做深入研究、產品毒性問題。III全離子交換法提取工藝：檸檬酸是a-羥基三竣酸，在水中很容易解離成H+和H2Ci-、HCi2-、Ci3-離子，故可利用陰離子交換樹脂從檸檬酸發(fā)酵液中分離檸檬酸。這種方法的優(yōu)點是方法簡便，設備較少，勞動強度不大。但在陰離子交換中，部分陰離子會和檸檬酸根離子一起進行交換、洗脫下來，影響成品質量。W電滲析提取工藝：電滲析是一種膜技術。它是在離子交換樹脂基礎上發(fā)展起來的新技術，可用于化工產品的分離、提純、濃縮和物質的回收。該法能耗大，極板上的污垢容易堆積,給操作帶來很大的不便。V連續(xù)離子交換法提取工藝：它是一種完全革新的分離工藝技術，不同于傳統(tǒng)的固定床(FixedBed)、脈沖床(PulseBed等工藝。它是在傳統(tǒng)的固定床樹脂吸附和離子交換工藝的基礎上結合連續(xù)逆流系統(tǒng)技術優(yōu)勢開發(fā)而成。W色譜分離(ILCS)工藝：基本原理是基于離子交換樹脂自身的轉換，使用單一離子交換樹脂為固相離子交換劑。該法收率高，但成本較高，較少采用。綜上所述，本設計采用鈣鹽離子交換工藝來提取檸檬酸。(2)鈣鹽離子交換工藝流程15圖2 檸檬酸的粗提取冷卻水

蒸汽?母液圖3檸檬酸的精提取16工藝流程173工藝計算計算依據生產能力年產20000噸99.5%無水檸檬酸主要技術經濟指標轉化率 94%發(fā)酵產酸率 12.5%總收率 85%填充系數 80%全年生產日期 300天提取車間物料衡算(1)發(fā)酵液處理量每天生產一水檸檬酸的量20000+300=66.67噸每天生產無水檸檬酸的量66.67+210X192=60.95噸210———水檸檬酸的分子量192——無水檸檬酸的分子量產酸率為12.5%則每天處理發(fā)酵液的量60.95+12.5%+85%=573.65噸(2)CaCO3每天CaCO調用量573.65X89.8%X12.5%X0.73=47.00噸31889.8%——收率0.73——CaCO3調中和的當量比CaCO3乳體積47.00+80%=58.75m380%——填充系數(3)檸檬酸鈣每天檸檬酸鈣產量573.65X12.5%X89.8%X85%X90%^192X1/2X570=73.12噸570——檸檬酸鈣的分子量90%——檸檬酸鈣的收率H2s04每天H2s04的用量573.65X12.5%X0.67^0.98=49.03m30.67——H2s04的用量比例CaSO4每天CaSO4的量73.12X94.6%X136?570=16.50噸159.27——檸檬酸鈣的量 94.6%——酸解收率 136——CaSO4的分子量附表4提取車間原料消耗及產量名稱單位消耗或產量(天)發(fā)酵液T573.65CaCO3T47.00檸檬酸鈣T73.12H2s04m349.03CaSO4T16.50194提取車間設備計算及選型4.1板框過濾機機型說明示意圖表：X/BAMY/ZG40~120/1000-U/ZBK-I機器型號（X廂式,B板框式）濾液排出（A暗流,M明流）壓緊方式（Y液壓壓緊）壓榨形式（G隔膜，Z自動拉板）過濾面積近濾板尺寸mmXmm濾板材質（U非金屬,Z金屬）洗滌工序（K可洗,B不可洗）改型次數（1）選型BMY70/810-25過濾面積 70m2 框寬義框高義框厚810X810X25濾片數54 框內總容量/L 875⑵臺數計算每天所需的過濾面積573.65X89.8%+0.05+12=858.59m289.8%——收率0.05——生產能力（立方米/小時每平方米）12 ——每天的過濾時間（小時/天）20臺數為858.59+70=12.25臺 取14臺富裕系數(14—12.25)+12.25義100%=14.28%4.2低位儲罐⑴容積的確定容積確定為50立方米,型號為SBF-50(見《化工工藝手冊》)⑵臺數計算573.65X1/3X89.8%+50=3.44臺取4臺1/3——按儲罐的1/3儲存濾渣洗水儲罐(1)容積的確定容積確定為50立方米,型號為SBF-50(見《化工工藝手冊》)(2)臺數計算洗水量：573.65X89.8%X1/3=171.71m31/3——洗水量為發(fā)酵液的1/3臺數：343.42X1/3+50=1.14臺取2臺1/3——按儲罐的1/3儲存碳酸鈣調漿桶(1)桶容積的確定V取5m3(2)總容積的確定58.75+80%=73.45m32180%——填充系數(3)個數確定 73.45^3^24=1.02取2個3一天三班24——操作周期CaCO3高位儲罐(1)容積的確定V取3m3(2)個數的確定取3個，起中間作用中和桶(1)容積的確定V取50m3(2)臺數的計算(573.65義89.8%+54+14)又85%?80%+50+24/4=1.95取3個14 ——調降后剩下的洗水 24/4——操作周期富裕系數(3-1.95)+1.95義100%=53.85%檸檬酸鈣過濾機采用帶式過濾DY型帶式過濾機時一種高效.連續(xù)運行的加壓式固液分離設備，適用于城市給排水及化工。造紙、冶金、礦業(yè)加工、食品等行業(yè)的各類污泥的脫水處理。主要特點是連續(xù)運行、無級調速，濾帶自動糾偏，自動沖洗，帶有自動保護裝置。DY2000-N 中國無錫通用機械廠22濾帶有效寬度2000mm濾帶運行速度0.7-4.5m/min重力過濾面積7.8m2壓榨過濾面積10m2清洗水壓力三0.5MPa電機功率 5.5Kw外形尺寸(長義寬義高)2980X2490X19804.8酸解鍋(1)容積的確定檸檬酸液的體積50X0.6X12.5%+24%+80%=19.53H2sO4的體積50X0.6X12.5%X0.67+0.98+0.8=3.200.6填充系數0.67HSO3用量比例224%H2SO3液濃度5080%酸解鍋的填充系數5080%酸解鍋的填充系數中和桶體積X89.8%X85%23X89.8%X85%23總體積19.53+3.20=22.73取25m3(2)臺數的計算(573.65X12.5%^24%^80%+1147.29X12.5%X0.67^0.98^80%)X90%=298.66臺數 298.66+(25X80%)+24/6=3.74取5臺富裕系數(5—3.74)+3.74X100%=33.69%CaSO4過濾采用帶式過濾，選DY2000-N酸解液儲罐(1)酸解過濾液的量573.67X12.5%X90%^25%=258.14m390% 提取收率25%——酸解液濃度(2)容積的確定V取50m3(3)個數的計算258.14X1/3?50?90%=1.91取3個富裕系數(3-1.91)+1.91X100%=57.07%4.11CaSO4洗水罐(1)稀酸的量573.65X12.5%X77%+13%—1147.29X12.5%X77%+25%=203.87m3(2)容積的確定V取50m3(3)個數計算203.87X2/3+(50X90%)=3.02個 取5個2/3——按2/3儲存90%——填充系數富裕系數(5—3.02)+3.02X100%=65.56%24熱水儲罐(1)體積的確定V取20m3(2)個數的計算取2個酸儲罐(1)體積的確定V取20m3(2)個數的計算取2個H2s04高位儲罐(1)體積的確定V取20m3(2)個數的計算49.03X1/3^(20X90%)=0.91取2個1/3——按1/3儲存真空抽濾罐(1)體積的確定V取2m3(2)個數的計算25

4.16水汽衡算⑴水的衡算IH2S04加水及CaSO4洗水量5%+25%=286.83噸II洗濾餅及洗板框用水573.65X(33.3%+15%)=277.07噸33.3% 洗濾餅用水為發(fā)酵液的1/315% 洗板框用水為發(fā)酵液的15%III洗檸檬酸鈣用水573.65X12.5%+0.54X6=796.73噸W最大用水量(286.33+277.07+796.73)義110%>4=374.17噸/小時110%——加10%的其它用水4——洗滌集中操作時間(小時)V平均用水量(286.33+277.07+796.73)義110%>24=62.37噸/小時⑵蒸汽衡算I濾餅洗水加熱用蒸汽設蒸汽量為X573.65X1/3X(85—20)X6=(286.33+277.07)(100—85)XX=2.04噸85洗水溫度26

85洗水溫度2620常溫下水溫20常溫下水溫II檸檬酸鈣洗水加熱用蒸汽796.73X(85-20)X1^[1127.79X(100-85)]=3.06噸III酸解液及CaSO4洗水加熱用蒸汽573.65X12.5%+25%X(80—20)+[1127.79X(100-80)]=0.77噸W中和液加熱用蒸汽(573.65+57)X(80—20)X6+[1127.79X(100-80)]=10.07噸V最大用汽量(2.04+3.06+0.77+10.07)+4=3.99噸W平均用汽量(2.04+3.06+0.77+10.07)+18=0.89噸附表5提取車間設備一覽表序號名稱規(guī)格數量（個或臺）1板框過濾機BMY70/810-25142發(fā)酵液高位儲罐V=50m343濾渣洗水儲罐V=50m