年產(chǎn)50000噸檸檬酸發(fā)酵車間設計

南陽理工學院本科生畢業(yè)設計學院（系）：生物與化學工程學院專業(yè)：生物工程學生：****指導教師：李慧星（講師）完成日期2009年5月南陽理工學院本科生畢業(yè)設計年產(chǎn)50000噸檸檬酸發(fā)酵車間設計Designancitricacidfermentationworkshopplantwith50,000tonsannualoutput總計：畢業(yè)設計（論文）38頁表格：7個插圖：3幅南陽理工學院本科畢業(yè)設計年產(chǎn)50000噸檸檬酸發(fā)酵車間設計Designancitricacidfermentationworkshopplantwith50,000tonsannualoutput學院（系）：生物與化學工程學院專業(yè)：生物工程學生姓名：****學號：****指導教師（職稱）：李慧星（講師）評閱教師：完成日期：2010年2月~6月南陽理工學院NanyangInstituteofTechnology年產(chǎn)50000噸檸檬酸發(fā)酵車間設計生物工程專業(yè)田彬[摘要]本設計采用玉米原料發(fā)酵,只需將玉米磨粉,加水調漿,直接加入少量α－淀粉酶液化后,滅菌、冷卻,即可接種發(fā)酵。制備檸檬酸一般采用曬干的玉米作為原料。玉米含水13%、淀粉70%左右、蛋白質6%左右。玉米原料中的蛋白質可作為氮源供菌體生長。玉米原料中含有鐵、鎂、鉀、鈣等的無機鹽,選用的黑曲霉C0527對這些成分不敏感,故不必對原料做任何預處理。本設計采用好氣液體深層發(fā)酵、鈣鹽法提取技術生產(chǎn)檸檬酸。這兩種方法都是國內比較流行的生產(chǎn)方法，有著大量的實際經(jīng)驗，易于操作，風險小。通過工藝流程設計、工藝衡算、設備選型和車間布置設計，設計出年產(chǎn)50000噸檸檬酸發(fā)酵車間采用20個200m3發(fā)酵罐和7個30m3種子罐等。并依據(jù)生物工程工廠車間布置原則，對發(fā)酵車間進行合理布置，繪制了工藝流程圖和車間布置圖.完成了年產(chǎn)50000噸檸檬酸發(fā)酵車間的設計。工藝設計結果為檸檬酸的生產(chǎn)提供一定參考。[關鍵詞]玉米深層好氧發(fā)酵黑曲霉檸檬酸設備設計及選型Designancitricacidfermentationworkshopplantwith50,000tonsannualoutputBio-engineeringMajorTianbinAbstractThedesignofrawmaterialsusedcornfermentation,simplycornmills,water-paste,addingasmallamountofdirectα-amylaseliquefaction,sterilization,cooling,fermentationcanbevaccinated.Preparationofcitricacidnormallyusedasrawmaterialsdriedcorn.Cornmoisturecontentof13%,about70percentofstarch,proteinabout6percent.Cornrawmaterialsintheproteincanbeusedassourceofnitrogenforcellgrowth.Cornrawmaterialscontainingiron,magnesium,potassium,calciumofinorganicsalt,optionalblackAspergillusnigerC0527isnotsensitivetotheseingredients,itneednotdoanypretreatmentoftherawmaterials.Thedesignofagoodgasliquidsdeepfermentation,drycalciumcitrateextractiontechnologyproduction,moreoverintroducedthecitricacidfermentsintechnicalprocessandfermentativeprocesseachcontrolmainpoint.Thetwomethodsaremorepopulardomesticproductionmethods,hasagreatdealofpracticalexperience,easytooperate,therisksmall.Throughprocessdesign,processcrossoperator,equipmentselectionandfacilitylayoutdesigntotheannualoutputof50,000tonsofcitricacidfermentationplantby11fermenterswith550m3and4seedscanswith55m3.Andfactoryfloorlayoutbasedontheprinciplesofbiologicalengineering,thereasonablelayoutofthefermentationplant,renderingtheprocessflowdiagramandplantlayout.Designancitricacidfermentationworkshopplantwith50,000tonsannualoutput.Processdesignforthecitricacidproductionresultsprovidesomereference.Keywords:CornDeep-seatedaerobicfermentationAspergillusnigerCitricacidEquipmentDesignandSelection目錄1．前言 11檸檬酸的介紹 1檸檬酸的性質 1檸檬酸的發(fā)酵機理 1檸檬酸的主要用途 31.2檸檬酸工業(yè)的歷史和國內外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 4檸檬酸工業(yè)的歷史 4世界檸檬酸產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 4我國檸檬酸產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 51.3我國檸檬酸工業(yè)展望 51.4本設計的意義和主要任務 6本設計的意義 6本設計的主要任務 72生產(chǎn)工藝 82.1生產(chǎn)方法 82.2工藝流程 82.3操作工藝 93工藝計算書 123.1物料衡算 123.1.1工藝技術指標及基礎數(shù)據(jù) 123.1.2原料消耗計算 123.1.3發(fā)酵醪量的計算 133.1.4接種量 13液化醪量計算 133.1.6成品檸檬酸 143.1.7淀粉質原料年產(chǎn)5萬噸一水檸檬酸廠總物料衡算 143.2熱量衡算 153.2.1液化熱平衡計算 153.2.2發(fā)酵過程中的蒸汽耗量的計算 153.2.3發(fā)酵過程中的冷卻水耗用量計算 173.2.4發(fā)酵過程中的無菌空氣耗用量的計算 184發(fā)酵車間設備設計與選型 194.1發(fā)酵罐的選型 194.1.1發(fā)酵罐容積和臺數(shù)的確定 194.1.2主要尺寸的計算 204.1.3發(fā)酵罐冷卻面積的計算 21發(fā)酵罐攪拌器的設計 214.1.5發(fā)酵罐設備結構的工藝設計 234.1.6發(fā)酵罐設備材料的選擇 264.1.7發(fā)酵罐壁厚的計算 264.1.8發(fā)酵罐接管設計 274.1.9發(fā)酵罐支座的選擇 284.2種子罐的選型 284.2.1種子罐容積和數(shù)量的確定 284.2.2種子罐主要尺寸確定 284.2.3種子罐型號確定 294.3貯罐選型 294.3.1發(fā)酵成熟醪貯罐 294.3.2硫酸銨貯罐 294.3.3設備一覽表 305全廠及車間布置 325.1全場及車間布置 325.2車間布置設計原則 32車間布置設計的目的和重要性 32車間布置的有關技術要求和參數(shù) 32設備的安全距離 33設備布置原則 34結論 36參考文獻 37致謝 381．前言1檸檬酸的介紹1.1.1檸檬酸的性質檸檬酸(CitricAcid)，學名2-羥基丙烷三羧酸，分子式C6H8O7。為無色透明斜方晶系晶體粒，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。商品檸檬酸有二種形式：一種是一水物，是由低溫（≤36.6℃）水溶液中結晶析出，經(jīng)分離、干燥后的產(chǎn)物，含結晶水量為8.58%，熔點70～75℃，相對密度d204=1.542。在20℃下100克水中可溶解一水檸檬酸147克。在干燥空氣中久置，晶格中的結晶水逸出而風化。另一種是無水物，是由較高溫度（>36.6℃）水溶液中結晶析出的。一水檸檬酸轉變?yōu)闊o水檸檬酸的臨界溫度為（36.6±0.15）℃，無水檸檬酸的熔點153℃、相對密度d204=1.6650。[1]1.1.2檸檬酸的發(fā)酵機理1黑曲霉的檸檬酸生物合成途徑已知生長在葡萄糖培養(yǎng)基上的黑曲霉存在著糖酵解途徑(EMP)、磷酸戊糖途徑(HMP)、三羧酸(TCA)循環(huán)和乙醛酸循環(huán)的酶系。經(jīng)過多年研究，現(xiàn)在普遍認為，黑曲霉利用糖類產(chǎn)生檸檬酸的生物合成途徑是：葡萄糖經(jīng)EMP或HMP降解，形成丙酮酸；丙酮酸一方向氧化脫羧生成乙酰COA、另一力面經(jīng)CO2固定羧化成草酰乙酸：然后草酰乙酸與乙酰COA縮合生成檸檬酸(圖1-1)。圖1—1檸檬酸的生物合成途徑1-丙酮酸脫氫酶；2-檸檬酸合成酶；3-烏頭酸水合酶；4-異檸檬酸脫氫酶；5-α-酮戊二酸脫氫酶；6-琥珀酸脫氫酶7-富馬酸酶；8-蘋果酸脫氫酶9-丙酮酸羧化酶；10-磷酸烯醇丙酮酸羧激酶氧化脫羧檸檬酸也即是：氧化脫羧檸檬酸乙酰-COAEMP途徑丙酮酸葡萄糖乙酰-COAEMP途徑丙酮酸葡萄糖羧化草酰乙酸羧化草酰乙酸圖1-2檸檬酸合成途徑2由淀粉或糖類發(fā)酵轉化為檸檬酸是一個非常復雜的過程。雖然詳細的檸檬酸生物合成及三羧酸(TCA)循環(huán)[2][3]的調控機制尚不十分清楚，然而在1981年Rohr及Kubick曾就前人的研究成果及其本身的研究，對黑曲霉發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的調控，包括糖酵解（EMP）及TCA循環(huán)作了解釋[4]。三羧酸循環(huán)又稱檸檬酸循環(huán)，因在循環(huán)反應過程中有檸檬酸等三梭酸而得名，也稱克雷布斯循環(huán)（KrebsCycle）。即葡萄糖酵解成為丙酮酸，由丙酮酸氧化脫羧生成活性乙酸或稱乙酞輔酶A和羧化生成草酞乙酸?；钚砸宜崤c草酞乙酸縮合成檸檬酸。1.1.3檸檬酸的主要用途檸檬酸是當今利用微生物生產(chǎn)的一種極為重要的有機酸，廣泛應用于食品、飲料、醫(yī)藥、工、冶金等領域。檸檬酸的用途主要分為食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)和化學工業(yè)三個方面。1、在食品工業(yè)上的應用：檸檬酸具有令人愉快的酸味，入口爽快，無后酸味，安全無毒，此被稱為第一食用酸味劑，被廣泛用于飲料、果醬、果凍、釀造酒、冰激凌和人造奶油、制品、罐頭制品、豆制品及煙草中。2、在醫(yī)藥工業(yè)上的應用：醫(yī)藥上廣泛用到檸檬酸及其鹽類。檸檬酸鹽用于補充相應元素，具有溶解度高，生理寬容性大，酸根直接被吸收代謝而無羈留等優(yōu)點。檸檬酸糖漿、檸酸鐵銨、檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、檸檬酸銅、檸檬酸鎂被廣泛應用于臨床。3、在建筑工業(yè)中，可做混凝土緩凝劑，提高工程抗拉、抗壓、抗凍性能，防治龜裂。4、在化妝品業(yè)中，可做抗氧劑和發(fā)泡劑。5、在油田工業(yè)方面，檸檬酸鋁是一種新型油田化學品，用作水溶性聚合物的交聯(lián)劑。國外在壓裂、堵水、剖面調整等采油工藝中已廣泛使用，提高了采油率。6、在化學工業(yè)上的應用：檸檬酸及其鹽類在工業(yè)上的應用發(fā)展得最快。檸檬酸被廣泛用緩沖劑、催化劑、激活劑、增塑劑、螯合劑、清洗劑、吸附劑、穩(wěn)定劑、消泡劑等。其中洗滌劑方面的應用增長最大。檸檬酸鈉鹽的螯合作用很有特異性，可以替代三聚磷酸鈉，為綠色環(huán)保的無磷洗衣粉的原料。在國際市場上（以1999年歐洲市場為例），檸檬酸用作食品添加劑（主要是飲料）占62%，作洗滌劑的助劑為12%，用于醫(yī)藥和化妝品占11%，其它工業(yè)方面的應用占15%。美國檸酸的用量是世界上最大的，年需求量約為25萬噸，最大的消費領域是飲料，占45%，加上它食品共占70%，洗滌劑行業(yè)消費占20%，還有10%用于化工和醫(yī)藥。在美國，用于食品飲料的檸檬酸大部分從歐洲和日本進口，而用于洗滌劑的檸檬酸大部分是從中國進口的。本是我國第二大檸檬酸出口國，每年從中國進口2萬噸左右檸檬酸，目前年消費增長率為34%，消費分布為：食品行業(yè)2.1萬噸，洗滌劑業(yè)1.2萬噸，醫(yī)藥業(yè)2000噸，其它方面為3000噸。[5]國內檸檬酸主要用于飲料和食品行業(yè)。但由于人們飲食習慣，以及市場開發(fā)不夠等原因，求增長緩慢，年需求量增長僅1%左右。近年來，隨著我國環(huán)保工作的加強，磷污染引起的境問題日益受到人們的關注，許多地區(qū)已禁止使用含磷洗衣粉，使得檸檬酸在洗滌劑行業(yè)有了一席之地，但我國檸檬酸人均消費量與發(fā)達國家比還有相當差距。隨著快速增加的產(chǎn)和緩慢增長的國內需求差距的加大，造成檸檬酸產(chǎn)量嚴重供大于求，必須依賴出口解決這矛盾。1.2檸檬酸工業(yè)的歷史和國內外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀1.2.1檸檬酸工業(yè)的歷史自然界中許多微生物能向體外分泌或在環(huán)境中積累檸檬酸。但在工業(yè)領域中最有競爭力的微生物是黑曲霉。檸檬酸是由瑞典化學家scheere于1784年從檸檬酸果汁中提取制成，并獲得結晶。1891年德國微生物學家Wehmer發(fā)現(xiàn)青霉菌能生產(chǎn)檸檬酸，其中以黑曲霉產(chǎn)酸最高。1892年，Wehmer從腐敗的柑橘上分離出一種產(chǎn)檸檬酸的菌，即橘青霉(Penicilliumcitrinum)。1897年，他又發(fā)現(xiàn)淡黃青霉(P.liteum)和梨型發(fā)霉(Mucorpiribormis)也有產(chǎn)酸能力[6]。1913年Zahorski首先利用黑曲霉生產(chǎn)檸檬酸。1917年Currie初步奠定了發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸的科學基礎。[7]檸檬酸作為一種重要的有機酸，自1923年美國輝瑞(Pfizer)公司建立了第一個以黑曲霉淺發(fā)酵法生產(chǎn)檸檬酸的工廠以來，由于菌種選育和生產(chǎn)工藝的不斷改進，生產(chǎn)率不斷提高。1952年美國Miles實驗室采用較為先進的深層發(fā)酵工藝實現(xiàn)了工業(yè)化大生產(chǎn)，從此檸檬酸的量逐年增加。近年來美國邁爾斯公司采用玉米淀粉為原料，經(jīng)雙曲法水解淀粉為液體葡萄糖進行濃酸深層發(fā)酵，發(fā)酵液中產(chǎn)酸濃度達22％一23％。最近幾年由于許多國家對環(huán)保的重視，限制使用含磷洗滌劑，使其應用領域進步拓寬，需求量不斷增加。2002年，世界檸檬酸消費量（不含中國）已升至近百萬噸，年增率約5%。1.2.2世界檸檬酸產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀目前，全球檸檬酸的總生產(chǎn)能力接近120萬噸/年，中國占50%，世界總需求量為105～110萬噸/年，呈供大于求的狀況，過剩的生產(chǎn)能力主要在中國。消費以歐美為最大的市場，市場合計消費量占全球總消費量的70%。近幾年，國外的檸檬酸生產(chǎn)企業(yè)通過兼并、新建又增加了新的生產(chǎn)能力。1998年TATELYLE公司收購了拜耳的子公司HAARMANNREIMER的拉丁美洲和美國俄亥俄州代頓的年產(chǎn)量為60kt的檸檬酸工廠，市場份額增加到了17%。位于奧地利的JUNGBUNZLAUER公司在加拿大安大略湖建立了新工廠以擴大它在北美的市場。2000年6月，該公司與加拿大的CASCO公司簽定了長期供應協(xié)議，即JUNGBUNZLAUER公司加工CASCO提供的發(fā)酵原料來生產(chǎn)檸檬酸，并于2002年初投產(chǎn)。CARGILL公司在巴西烏貝蘭迪亞的玉米濕磨廠附近投資建設一家生產(chǎn)工廠。2000年日本三菱株式會社和昭和化工株式會社共同投資在泰國北部建成了年產(chǎn)8000噸精品檸檬酸的工廠，以生產(chǎn)木薯淀粉的副產(chǎn)物木薯渣固體淺盤發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸。瑞士ROCHE化學公司和無錫中亞化學公司在無錫合資建立了ROCHE中亞公司，40kt/年檸檬酸的生產(chǎn)線已投入生產(chǎn)，產(chǎn)品將出口到世界各地。以色列Gadot生化公司（GBI）和土耳其Alarko公司，在土耳其投資新建了一家檸檬酸廠，生產(chǎn)能力為25kt，并于2003年第二季度投產(chǎn)。1.2.3我國檸檬酸產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀我國自1969年開創(chuàng)了具有中國特色的檸檬酸發(fā)酵工業(yè)以來，檸檬酸生產(chǎn)技術已取得了長足的進歩，尤其是經(jīng)過幾代人的不懈努力，選育出了具有底物粗放（原料無需預處理）、較強的適應性（能采用山芋干、玉米、木薯、大米等多種淀粉質原料進行發(fā)酵）、遺傳性能穩(wěn)定、產(chǎn)酸純度高等優(yōu)良特性的菌種。將我國的1997～2003年檸檬酸生產(chǎn)產(chǎn)量及出口數(shù)量進行對比。如下表1.2.3：表1.2.31997～2003年6月我國檸檬酸生產(chǎn)、出口情況年份產(chǎn)量(kt)同比增長(±%)出口量(kt)同比增長(±%)1997170142.119982001715161999280202101720003692525822.92001385102787.82002425102862.92003年1~6月——18526.7由表可知，我國2000年的檸檬酸產(chǎn)量達到369kt，檸檬酸及檸檬酸鹽類出口量為258kt，分別比上年增長26.4%和22.9%。進入新世紀，我國檸檬酸發(fā)展的勢頭不減。2001年，我國檸檬酸產(chǎn)量為385kt，出口檸檬酸及檸檬酸鹽278kt。2002年我國檸檬酸產(chǎn)量突破400kt，達到425kt，檸檬酸及檸檬酸鹽類出口基本與上年持平，為286kt（其中檸檬酸為260.3kt，檸檬酸鹽類為25.8kt）。我國檸檬酸行業(yè)由于技術創(chuàng)新相對滯后，在經(jīng)營管理、產(chǎn)品質量、品牌效應等方面，與跨國公司無法匹敵，已出現(xiàn)嚴重的供大于求的局面。因此我們必須做出改變，迅速提高并逐步發(fā)展我國的檸檬酸工業(yè)。1.3我國檸檬酸工業(yè)展望我國檸檬酸發(fā)酵自工業(yè)化生產(chǎn)以來已經(jīng)走過了40個春秋。據(jù)不完全統(tǒng)計，生產(chǎn)廠已超過100家。年生產(chǎn)能力達50多萬噸。其中引進三個國家五個公司的提取生產(chǎn)設備30多臺套，發(fā)酵設備近10臺套。應用帶式過濾機50多臺，其中引進20多臺套。1993年產(chǎn)量超過16萬噸，其中出口超過14萬噸。以國家論，擁有的檸檬酸生產(chǎn)能力已升至世界第一位，產(chǎn)量居世界第二位。

我國的發(fā)酵技術及水平特別是菌種及發(fā)酵工藝仍為世界領先。玉米粉、淀粉、木薯粉、葡萄糖母液等直接深層發(fā)酵技術已為我國所獨有，提取收率由于引進國外先進技術與設備也已逐步接近世界先進水平，取得了舉世矚目的成就。

目前世界檸檬酸總產(chǎn)量達110萬噸，1993年無水檸檬酸美國市場價格為每噸1800美元；歐洲市場為每噸1600美元。而我國無水檸檬酸在美國市場僅每噸1200美元。因此，具有強大競爭能力。特別是“人關”以后更具有強大的生命力。供不應求的局面將長期存在。我們應及時抓住這難得的機遇，把握住國際市場，結合我國檸檬酸工業(yè)情況，應注意以下諸多方面：

1繼續(xù)選育優(yōu)良菌種，提高菌種抗氮、抗變質玉米性能，提高穩(wěn)定發(fā)酵水平。改革發(fā)酵原料結構，除淀粉外，開發(fā)小麥、玉米等多種大量生產(chǎn)作物作為原料，應用于檸檬酸生產(chǎn)。2為了適應生產(chǎn)大型化，要改進目前抱子培養(yǎng)方法，開發(fā)干抱子培養(yǎng)制造技術，并使之工業(yè)化生產(chǎn)，供各檸檬酸廠使用。這樣就可集中研究菌種的篩選、誘變、純化、復壯、改良及保藏等技術。節(jié)省大量人力物力，并能穩(wěn)定提高工廠生產(chǎn)水平。

3改革并改進發(fā)酵設備、提取設備和提取工藝。其中包括：

（1）研究采用大型的無攪拌發(fā)酵罐，改進空氣凈化系統(tǒng)和發(fā)酵滅菌消毒工藝。

（2）采用石灰為中和劑代替碳酸鈣。改進中和罐、酸解罐的結構與形式。實現(xiàn)pH、“電導”傳感器控制中和及酸解終點，實現(xiàn)自動流加、溫控，提高改進酸解液濃度及酸解工藝。采用陰離子與陽離子凈化，控制工藝用水質量。采用二效三體濃縮及結晶，連續(xù)離心結晶。實現(xiàn)密閉連續(xù)化、自動化生產(chǎn)。提高產(chǎn)品質量及整個檸檬酸工業(yè)生產(chǎn)水平。（3）開展檸檬酸系列產(chǎn)品的開發(fā)與研究。改進檸檬酸鈉、鉀、錢生產(chǎn)工藝。要從發(fā)酵液中直接提取這些鹽類。此外，對檸檬酸酷（如：檸檬酸三丁醋）雖有研究，具有廣闊的前景，但尚未工業(yè)化生產(chǎn)，還有檸檬酸本身的品種也需擴大，除生產(chǎn)一水及無水檸檬酸外還應生產(chǎn)液體檸檬酸，工業(yè)用檸檬酸等等。供短途客戶或使用方便之需要，可節(jié)省大量人力與物力。

4開展檸檬酸應用研究，如代替三聚磷酸鈉應用于洗滌劑中。開發(fā)重垢型液體新一代洗液劑、去垢劑、消泡劑、增塑劑、防腐劑等等。進一步開拓國內外市場，使國內檸檬酸消費量能有較大幅度增長。形成國內外市場并舉，促進我國檸檬酸工業(yè)發(fā)展。

5成立跨國檸檬酸公司，統(tǒng)籌檸檬酸產(chǎn)品及原料進出口、管理技術開發(fā)、咨詢、轉讓、服務等。[8]1.4本設計的意義和主要任務1.4.1本設計的意義我國檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)雖然取得了長足的進步，但與國外先進水平相比仍有很大的差距。因此提高我國檸檬酸生產(chǎn)的工藝技術水平，實現(xiàn)低消耗、低成本、高效率的生產(chǎn)目標，建立具有競爭力的、更經(jīng)濟的生產(chǎn)體系，對檸檬酸行業(yè)的生存和發(fā)展有著極其重要的意義。發(fā)酵是檸檬酸工業(yè)的龍頭，發(fā)酵水平的高低主導著檸檬酸生產(chǎn)的成本和經(jīng)濟效益。原料和菌種是檸檬酸行業(yè)亟待解決的課題。我們目前主要的原料是薯干和玉米。前者仍粗料發(fā)酵，它帶來了一系列固有的缺陷，如培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的波動；大量不參與生化反應雜質空耗能源，并給提取增加額外負擔；發(fā)酵液總糖濃度偏低，影響了發(fā)酵指數(shù)和設備利率；發(fā)酵液濾渣價值很低，難以綜合利用等等。本設計發(fā)酵原料采用玉米粉發(fā)酵，而沒有用國內常用的以薯干為原料生產(chǎn)檸檬酸的發(fā)酵技術，雖然我國以薯干為原料生產(chǎn)檸檬酸的深層發(fā)酵技術具有獨創(chuàng)性，發(fā)酵指數(shù)處于世界前列，但提取工藝和設備都比較落后，生產(chǎn)能耗高，收率低，產(chǎn)品質量差，單位產(chǎn)值能耗是國際先進水平的180％～240％，收率比國際先進水平低8％～15％，且在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量廢水，廢氣，廢渣未能有效治理。而采用玉米為原料的發(fā)酵方法，不僅因為它營養(yǎng)價值高，更因為它利用率高，經(jīng)過脫胚芽榨油的渣可轉變?yōu)轱暳?，可降低企業(yè)生產(chǎn)成本，競爭力較強。從山芋干到玉米粉，是一個飛躍。它使設備的生產(chǎn)能力提高了30％，再也不會出現(xiàn)倒罐的現(xiàn)象，總收率比1994年提高了22個百分點；發(fā)酵周期大大縮短，產(chǎn)品全部達到出口標準；其每噸產(chǎn)品成本下降了30％低于國內同行1500元左右，低于國外同行近400美元；糧耗降13％，電耗降35％，水耗降65％；含糖廢水COD降低了50％……同時，綜合利用每噸檸檬酸新增產(chǎn)值1000余元。因此采用玉米粉發(fā)酵技術。1.4.2本設計的主要任務主要任務是完成工藝計算，發(fā)酵車間設備設計與選型及車間布置，最后是繪圖設計。其中，工藝計算包括物料衡算與熱兩衡算。物料衡算含有=1\*GB3①工藝技術指標及基礎數(shù)據(jù)=2\*GB3②原料消耗計算=3\*GB3③發(fā)酵醪量的計算=4\*GB3④接種量=5\*GB3⑤液化醪量計算=6\*GB3⑥成品檸檬酸=7\*GB3⑦淀粉質原料年產(chǎn)5萬噸一水檸檬酸廠總物料衡算。熱量衡算包括=1\*GB3①液化熱平衡計算=2\*GB3②發(fā)酵過程中的蒸汽耗用量計算=3\*GB3③發(fā)酵過程中的冷卻水耗用量計算=4\*GB3④發(fā)酵過程中的無菌空氣用量計算。發(fā)酵車間設備設計與選型包括發(fā)酵罐的選型，種子罐的選型及貯罐的選型。要解決發(fā)酵罐的選型則需要解決以下問題=1\*GB3①確定發(fā)酵罐的容積和臺數(shù)=2\*GB3②主要尺寸的計算=3\*GB3③發(fā)酵罐冷卻面積的計算=4\*GB3④發(fā)酵罐攪拌器的設計=5\*GB3⑤發(fā)酵罐設備結構的工藝設計=6\*GB3⑥發(fā)酵管設備材料的選擇=7\*GB3⑦發(fā)酵罐壁厚的計算=8\*GB3⑧發(fā)酵罐接管設計=9\*GB3⑨發(fā)酵罐支座的選擇。要完成種子罐的選型則要確定=1\*GB3①種子罐的容積和數(shù)量=2\*GB3②種子罐的主要尺寸=3\*GB3③種子罐的型號。同樣，貯罐的選型要完成發(fā)酵成熟醪貯罐，硫酸銨貯罐及設備一覽表。2生產(chǎn)工藝2.1生產(chǎn)方法本次生產(chǎn)工藝設計采用玉米原料為原料，采用玉米直接粉碎調漿，加入定量的高溫淀粉酶，加溫處理，快速過濾掉過剩的蛋白質及玉米渣后，進行好氧液體深層發(fā)酵，鈣鹽法提取生產(chǎn)檸檬酸。[9]2.2工藝流程本次生產(chǎn)工藝的基本過程是：原料玉米經(jīng)過磨粉與淀粉酶混合后進行液化，使玉米轉化為糖液，糖液經(jīng)過濾后除去玉米渣。糖液與菌種送至發(fā)酵罐，在發(fā)酵罐中保持所需溫度及不斷攪拌下，通入無菌空氣進行深層發(fā)酵，使糖液轉化為檸檬酸,發(fā)酵完成后經(jīng)壓濾出去菌絲體。發(fā)酵液進入提取中和鍋，與相應量的碳酸鈣反應生成檸檬酸鈣晶體，該晶體送入碳解鍋內與硫酸反應，反應結束后經(jīng)抽濾，出去硫酸鈣固體。液相為檸檬酸溶液送后工段進行精制造.溶液先經(jīng)活性碳脫色，再經(jīng)陽離子交換柱除去金屬離子，再經(jīng)陰離子交換柱出去酸離子后送入蒸發(fā)器加熱濃縮，經(jīng)三級真空蒸發(fā)濃縮后獲得檸檬酸晶液，晶液經(jīng)離心過濾得到濕檸檬酸液體，濕檸檬酸晶體再經(jīng)震動硫化床以熱風干燥，最后得到成品。工藝流程圖見圖2—1所示：成品陽柱廢氨水陽柱廢酸水再生沖洗水離子交換淡酸水碳柱廢堿水沙柱沖洗水濃糖水菌絲體抽濾洗糖水玉米渣糖化洗濾布水洗罐水二壓洗濾布水壓濾發(fā)酵過濾糖化粉碎原料中和酸解沙濾活性炭吸附濃縮結晶陰離子交換陰離子交換成品陽柱廢氨水陽柱廢酸水再生沖洗水離子交換淡酸水碳柱廢堿水沙柱沖洗水濃糖水菌絲體抽濾洗糖水玉米渣糖化洗濾布水洗罐水二壓洗濾布水壓濾發(fā)酵過濾糖化粉碎原料中和酸解沙濾活性炭吸附濃縮結晶陰離子交換陰離子交換圖2—1：檸檬酸生產(chǎn)工藝流程示意圖[10]2.3操作工藝（1）原料的處理以玉米為原料的檸檬酸生產(chǎn)廠家收購玉米的標準為：淀粉含量不低于65%，水分一般不高于14%，雜質要求不高于5%。貯存玉米的倉庫為鋼板倉，附有鼓風系統(tǒng)，定期鼓風。首先經(jīng)刮板、提升等設備輸入至粉碎機進行粉碎，加工成60目以上的細顆粒，通過引風機引風將粉碎過的玉米提升至玉米粉刮板機，然后進入調漿槽。粉碎機采用布袋除塵器，一則提高粉碎收率，二則降低玉米粉對大氣的污染。粉碎所得的顆粒越細在后續(xù)的糖化工序中越容易將淀粉轉變成單糖或雙糖。調漿用的水質要求不高，蒸汽冷凝水、地面沖洗水都可以，所加工的玉米粉中10%供給發(fā)酵小糖化，90%供給原料大糖化。調好漿后泵入配料罐內加上循環(huán)水、蒸汽冷凝水等定容至規(guī)定的要求，添加氫氧化鈣，將PH調到7左右即可，鈣的作用主要是激活酶，提高們的效果。最后添加耐高溫α淀粉酶。通過泵和加壓蒸汽的作用使配好料的玉米漿在層流罐里升至75度左右，同時進行充分的糊化，最后進入維持罐，再加熱至95度左右開啟攪拌維持40分鐘，之后取樣加碘液若顯原色即代表玉米中絕大部分的淀粉轉化為糖類，若顯深藍色則說明糖化不夠徹底，需繼續(xù)延長時間維持。否則不僅會增加糧耗，還會影響發(fā)酵周期和產(chǎn)酸，所以在原料車間最主要的是要保證淀粉轉變徹底。當然影響其原因的也很多：1、粉碎的顆粒低于60目以下糊化不充分；2、糊化和維持的溫度和時間不夠；3、糊化進料不夠均勻等等。維持好的混合液進板框進行壓濾，壓成餅狀后進一步烘干，變成蛋白飼料，清液即變成糖。在烘干過程中，引風機將干燥時產(chǎn)生的二次蒸汽給排到大氣中，但極易引出部分蛋白飼料，為減輕對環(huán)境的污染，在引風機前裝有濕式除塵器，產(chǎn)生的廢水同樣用于玉米粉調漿。連續(xù)使用的濾布定期清洗，清洗的廢水也用于玉米粉調漿。但夏天天氣炎熱，容易滋生細菌。這類水通常當廢水排放，COD很高一般在10000mg/l左右,水量少，無毒害物質。尤其不能提供給發(fā)酵車間所直接用的玉米漿的調漿用水，極易造成發(fā)酵罐染菌。同時還定期用甲醛對配料罐、層流罐、維持罐、糖液貯槽進行消毒，產(chǎn)生的廢水進入污水站，烘干玉米渣的蒸汽冷凝水可提供給粉碎調漿、配料罐定容，這樣原料的工作就完成了。（2）發(fā)酵工序檸檬酸生產(chǎn)的最重要的一個環(huán)節(jié)，它的生產(chǎn)水平的高低直接決定著檸檬酸成本的高低，因為檸檬酸生產(chǎn)65%的能耗都集中在發(fā)酵車間。首先在電耗方面：幾乎每只發(fā)酵罐的攪拌電機的功率在200KW左右，不包括供氧所用的大功率空壓機，所以當發(fā)酵產(chǎn)檸檬酸的濃度高、周期短時檸檬酸的生產(chǎn)成本會直線下降，反之，成本會直線上升。其次在蒸汽方面：發(fā)酵罐和種子罐的消罐、小糖化的生產(chǎn)、發(fā)酵后的檸檬酸清液加熱等（蛋白質絮凝,便于后續(xù)板框過濾）都會涉及到很多蒸汽。粉碎機直接提供給發(fā)酵的玉米粉，一方面用于發(fā)酵車間經(jīng)糖化后的混合液作種子罐培養(yǎng)基，另一方面作為發(fā)酵罐底料，發(fā)酵罐放罐和清洗、消罐的水全部進入加熱槽后開始往該罐內重新加入底料，同時將黑曲霉菌和降溫后的糖液泵入種子罐內進行種子培養(yǎng)，發(fā)酵罐底料加完后再加入溫度在85度左右的糖液（糖液溫度若偏低易酸?。?，加完糖液后在發(fā)酵罐內用沙濾水定容至規(guī)定的位置，再用常溫的循環(huán)水通過罐外的循環(huán)水管將混合后的料液換熱至36度左右，最后將種子罐的料液泵入發(fā)酵罐，同時開啟攪拌機、空壓機進行供氧。50小時后分析檢測發(fā)酵液的殘?zhí)?、還原糖等，若低于要求后即可停止供氣和攪拌，準備放罐。放到加熱槽內升溫至60度后泵入發(fā)酵的板框壓濾機，經(jīng)壓濾后所得到的清液就是粗檸檬酸，渣就是菌絲體，將菌絲體用地面沖洗水或循環(huán)水調漿后再次泵入板框，盡量對菌絲體中的殘酸吃干榨盡，提高收率。而菌絲體因PH的上升，更容易出售，可以外賣當飼料。[11]（4）提取工段1、粗檸檬酸清液和石灰（碳酸鈣或氫氧化鈣）反應得到檸檬酸鈣、水和二氧化碳。

通過反應、漂洗得到純凈的檸檬酸鈣，其余的全部排入廢水中。

2、檸檬酸鈣和濃硫酸反應生成硫酸鈣（即石膏）和檸檬酸。

硫酸鈣通過漂洗、脫水降低水分和殘酸，提高檸檬酸（酸解液）收率及石膏售價。酸解液通過預涂過硅藻土或珍珠巖的助濾劑去除懸浮物等雜質。反應后的助濾劑和石膏混合出售。清洗濾布的廢水回到酸解鍋或離交廢水池。

3、檸檬酸經(jīng)離交柱脫色、去除陰陽離子后即可得到純檸檬酸清液（離交液）。

加入HCL、NaOH、無離子水對酸解液中的陰陽離子、色度等進行去除，產(chǎn)生的廢水即為離交水。

該車間實際上將粗檸檬酸清液提取成純檸檬酸清液的一個過程，提高檸檬酸溶液的透光率、酸濃度。降低易碳倍數(shù)、濁度和陰陽離子等。去除的這些“垃圾”全部進入廢水和硫酸鈣（石膏）中。（5）精制工段1、離子交換與脫色檸檬酸液從暫貯灌中泵送離交純化工序，經(jīng)由陽離于交換塔，陰離子交換塔和活性炭脫色塔，離交脫色除去色澤及影響成品質量加速設備腐蝕的陰陽離子，陰陽樹脂需經(jīng)過酸洗、堿洗再生處理，離交后的檸檬酸精制母液送入蒸發(fā)工序。2、蒸發(fā)與結晶在提純溶液進入蒸發(fā)部分前，通過精過濾器除去清液中的微小樹脂顆粒。精濾后的溶液經(jīng)熱交換器預熱后送至雙效真空濃縮器經(jīng)濃縮至特定濃度后，轉入真空結晶器，或者低溫結晶器進行結晶。以確定產(chǎn)品(一水產(chǎn)品或無水產(chǎn)品)，再經(jīng)分離將檸檬酸晶粒從液相中分離出來，液相(母液)在分離后分別放至各級母液貯罐，根據(jù)其雜質離交濃度情況，送往重新蒸發(fā)式回流到前工序處理提純，晶體送往干燥機。3、干燥與包裝從離心機分離出來的濕檸檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根據(jù)生產(chǎn)品種控制干燥空氣、溫度及冷卻空氣量進行干燥，排空經(jīng)濕式旋風分離器處理排放，干燥后的檸檬酸晶粒通過傳送裝置運到篩選機，不合格顆粒被篩分出來，溶解后返回到結晶系統(tǒng)，檸檬酸成品進行定量、包裝，存放。[12]3工藝計算書3.1物料衡算3.1.1工藝技術指標及基礎數(shù)據(jù)項目內容①生產(chǎn)規(guī)模50000t/a99.5%一水檸檬酸折合成45813t/a99.5%無水檸檬酸②生產(chǎn)方法外加耐高溫α-淀粉酶液化，深層液體發(fā)酵，鈣鹽干法提?、凵a(chǎn)天數(shù)每年300天④食用99.5%無水檸檬酸日產(chǎn)量45813/300=152.7，取整數(shù)為153⑤食用99.5%無水檸檬酸年產(chǎn)量153×300=45813t⑥產(chǎn)品質量國際藥典檸檬酸99.5%（質量分數(shù)），副產(chǎn)品約占2%⑦主要原料含淀粉量70%，水分13%⑧α-淀粉酶用量8U/g原料⑨操作參數(shù)[13]淀粉糖轉化率98.5%，糖酸轉化率95%，提取階段分離收率95%，精制階段收率98%，倒罐率1%則其得率為；產(chǎn)酸率（即糖發(fā)酵液轉化率）13%；發(fā)酵周期75，發(fā)酵溫度（351）℃，發(fā)酵通風量3.1.2原料消耗計算年產(chǎn)5萬噸一水檸檬酸，折合無水檸檬酸，按1995年5月，中國發(fā)酵工業(yè)協(xié)會檸檬酸分會制定的“檸檬酸行業(yè)統(tǒng)計辦法”（基準：1噸成品檸檬酸）：無水檸檬酸需要量為：50000/1.0914=45813t/a（1）生產(chǎn)無水檸檬酸的總化學反應式：X1921000（2）生產(chǎn)1000kg99.5%無水檸檬酸所需的理論淀粉消耗量：X=1000*（162/192）*99.5%=839.53kg（3）生產(chǎn)1000kg99.5%無水檸檬酸所需實際淀粉消耗量：Kg（4）生產(chǎn)1000kg99.5%無水檸檬酸所需實際玉米粉原料消耗量：kg（5）α-淀粉酶的消耗量:應用酶活力為20000u/g的α-淀粉酶使淀粉液化。α-淀粉酶用量按8u/g原料計算；有：1390.57×103×8/20000=0.56kg3.1.3發(fā)酵醪量的計算根據(jù)發(fā)酵液轉化率為13%：1000*99.5%/（95%*98%*13%）=8221.1kg3.1.4接種量接種量為發(fā)酵醪的10%，則：3.1.5液化醪量計算因為成熟蒸煮醪為：8221.1-747.37-0.56=7473.17則調漿濃度為：1390.57*100%/7473.17=18.6%粉漿的干物質濃度為：973.4*100%/7473.17=12.54%蒸煮直接蒸汽加熱,采用連續(xù)液化工藝:操作流程:混合后粉漿溫度為50℃,應用噴射液化器迅速使粉漿升溫至100℃.升溫后進入維持罐,使料液保溫20～30min以完成液化,進蒸汽壓力保持在0.3～0.4Mpa表壓液化完成的醪液由板式換熱器降溫至35+1℃?zhèn)溆?。調漿及液化滅菌時產(chǎn)生的泡沫可用少量泡敵消泡。工藝計算:干物質含量B0=70%的玉米原料比熱容為:C0=4.18(1-0.7B0)=2.13kJ/(kg·K)粉漿的干物質濃度為B1=12.54%液化醪的比熱容為:C1=B1C0+(1.0-B1)Cw=12.54%×2.13+(1.0-12.54%)×4.18=3.92kJ/(kg·K)Cw-水的比熱容取4.18kJ/(kg·K)為簡化計算,假定液化醪的比熱容在整個過程中維持不變.經(jīng)噴射液化器前的液化醪量為X:X+X×3.92(100-50)/(2731.2-100×4.18)=7473.17(kg)解得X=6889.4（kg）其中2731.2-噴射液化器加熱蒸汽0.3Mpa的焓3.1.6成品檸檬酸日產(chǎn)檸檬酸量為：45813/300=152.7即結晶液中檸檬酸的含量為：152.7需精制液中檸檬酸含量為：152.7/98%=155.8需分離液中檸檬酸的含量為：152.7/95%*98%=164t/d3.1.7淀粉質原料年產(chǎn)5萬噸一水檸檬酸廠總物料衡算即對生產(chǎn)4581399.5%無水檸檬酸的玉米原料檸檬酸廠進行計算。[14]（1）檸檬酸成品日產(chǎn)食用99.5%無水檸檬酸量為152.7t，取整數(shù)為153t日產(chǎn)副產(chǎn)品為：153*2/98=3.12t則日產(chǎn)總量為：156.12t實際年產(chǎn)量為：食用檸檬酸量為：153*300=45900副產(chǎn)物為：3.12*300=936總產(chǎn)量為：46836（2）主要原料玉米用量日耗量：1390.57*10－3*156.12=217.1t年耗量：217.1*300=65130t（3）根據(jù)以上計算，將物料衡算結果列于表3—1。表3—150000玉米原料檸檬酸廠物料衡算表物料名稱每噸產(chǎn)品耗物量年產(chǎn)5萬噸耗物量每天（每年食用檸檬酸98015345900副產(chǎn)品203.12936玉米原料1390.57217.165130淀粉973.4151.9745591α-淀粉酶0.560.08726.23發(fā)酵醪8221.11257.8377348.4接種量747.37114.334304.2成熟蒸煮醪7473.171143.4343018.5玉米漿量6889.41054316223.53.2熱量衡算3.2.1液化熱平衡計算噴射加熱器耗熱噴射加熱初溫t1=50℃加熱后t2=100℃醪液的比熱容為C1=3.91kJ/(kg·℃)由工藝可知:經(jīng)過噴射加熱器溫度由t1=50℃升溫至t2=100℃Q=C1×G醪液(100-50)=3.92×6889.4×(100-50)=1350322.4kJ3.2.2發(fā)酵過程中的蒸汽耗量的計算（1）蒸汽用量的計算公式整個生產(chǎn)過程采用蒸汽間接加熱，蒸汽耗用量計算公式為：式中：η——為蒸汽的熱效率，??；I——汽化潛熱。（2）基礎數(shù)據(jù)在28下，查得：淀粉的比熱容為1.55水的比熱容為4.174加熱蒸汽的熱焓為2549.5加熱蒸汽的冷凝水的熱焓為1250.60由前面的計算可知：日耗玉米粉量為217.1t/d日耗淀粉量為151.97t/d日耗玉米漿量為1054t/d則日耗調漿用水量為：1143.4-217.1=926.3t/d日耗淀粉漿量為：152+926.3=1078.3t/d淀粉漿中含水量為：（926.3/1078.3）*100%=85.9%淀粉濃度為：（91.3/662.41）*100%=14.1%由此可算得淀粉漿的比熱容為：式中：X——淀粉濃度，14.1%Y——水濃度，85.9%（3）生產(chǎn)過程中蒸汽耗量的計算①培養(yǎng)基滅菌及管道滅菌：培養(yǎng)基采取連消塔連續(xù)滅菌，進塔溫90℃，滅菌130℃則滅菌用蒸汽量：每罐的初始體積為180，初糖濃度是13g/100ml，滅菌前培養(yǎng)基含糖量19%。其數(shù)量為：180*13%/19%=123.15t滅菌加熱過程中用0.3Mpa，蒸汽（表壓）I=2725.3，由維持罐（90℃），進入連消塔加熱至130℃，糖液比熱容3.69。每罐滅菌時間3h，輸料流量123.15/3=41.05t/h，消毒滅菌用蒸汽量：；每天培養(yǎng)基滅菌用蒸汽量：2.78*3*4=33.36t/d；所有用罐空罐滅菌及相關管道滅菌用蒸汽量，根據(jù)經(jīng)驗取培養(yǎng)基滅菌用蒸汽量的10%，則：。加熱發(fā)酵醪所用的蒸汽量：檸檬酸水溶液的比熱容可按下式近似計算：式中：0.99——比熱容℃——檸檬酸質量分數(shù)，=（98.42/771.8）*100%=12.8%t——溫度，℃代入上式，得：C=（0.99-0.66*12.8%+0.001*35）*4.19=3.94那么由此可得為：（4）將發(fā)酵段蒸汽衡算列于表3—2。表3—2發(fā)酵車間蒸汽衡算生產(chǎn)工序日用蒸汽量(t/d)平均蒸汽用量(t/h)年用蒸汽量（t/a）培養(yǎng)基滅菌33.362.7810008加熱發(fā)酵醪107.254.532175空罐滅菌3.340.141002合計143.957.42431853.2.3發(fā)酵過程中的冷卻水耗用量計算已知發(fā)酵過程中的發(fā)酵熱為4.18*6000，200的發(fā)酵罐一般裝料量為180（填充系數(shù)為0.9），則已知25的種子罐（填充系數(shù)0.7），裝料量為17.5將發(fā)酵段水衡算列入表3—3。表3—3發(fā)酵車間冷卻水衡算表生產(chǎn)工序平均耗水量(t/h)日耗水量(t/d)年耗水量(t/a)發(fā)酵罐用水1993.84883077598154.4種子罐用水193.85807758155合計2187.79115465630發(fā)酵過程中的無菌空氣耗用量的計算（1）單罐發(fā)酵罐用無菌空氣量：根據(jù)無菌空氣用量的計算公式：V=發(fā)酵罐體積*通氣速率*填充系數(shù)已知：發(fā)酵罐體積為200通氣速率為0.18填充系數(shù)為60%則：V=200*0.18*60%=21.6（2）單個種子罐用無菌空氣量：取種子罐的空氣消耗量為發(fā)酵過程空氣耗量的25%,則（3）將發(fā)酵車間蒸汽衡算列入表3—4。表3—4發(fā)酵車間無菌空氣用量衡算表設備名稱單罐每小時用氣量()單罐每日用氣量()每罐每年用氣量()年總用氣量發(fā)酵罐21.6518.41555201866240種子罐5.4129.638880155520總用量2764819440023328004發(fā)酵車間設備設計與選型4.1發(fā)酵罐的選型當前，我國檸檬酸發(fā)酵占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍是機械渦輪攪拌通風發(fā)酵罐，即通常所說的通用罐。選用這種發(fā)酵罐的原因主要是：歷史悠久，資料齊全，再比擬放大方面積累了較豐富的成功經(jīng)驗，成功率高。此外在檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)設備方面，大型氣升式發(fā)酵罐仍處于試用攻關階段。從試用情況看，由于氣升式罐在生產(chǎn)周期、產(chǎn)酸率、供氧周期波動的影響、通風量增加的綜合能耗、生產(chǎn)的穩(wěn)定性及可重復性等因素，所以多數(shù)廠家目前仍延用機械攪拌通風式發(fā)酵罐。因而，就本項目而言，按技術成熟，可靠、穩(wěn)妥的原則，結合檸檬酸工程中的設計經(jīng)驗，通過對罐內空氣分配器進行適當改造，成為新型的通風式機械攪拌型發(fā)酵罐。其攪拌功率，比相同容積的通用發(fā)酵罐降低約10%。從生物發(fā)酵行業(yè)醪液處理供料的均衡性考慮，發(fā)酵放罐間隔時間不宜大于8小時，在技術可靠的前提下，大罐放料容積不大于400。[15]結合目前本行業(yè)發(fā)酵技術的現(xiàn)狀，目前國內行業(yè)成熟技術水平、加工技術水平，企業(yè)可能達到的發(fā)酵控制管理水平等，從生產(chǎn)的可靠性、可實施性等方面考慮，本設計擬采用放罐容積約200的新型通風發(fā)酵罐?，F(xiàn)以此類發(fā)酵罐進行設計選型。4.1.1發(fā)酵罐容積和臺數(shù)的確定（1）發(fā)酵初糖濃度：由前面的計算可知，發(fā)酵液中檸檬酸的含量為153，則根據(jù)：180192可計算出葡萄糖量為：153*180/192=143.4則發(fā)酵初糖濃度為：143.4*100/839.53=17%（2）生產(chǎn)能力的計算：現(xiàn)每天產(chǎn)99.5%純度的檸檬酸153，檸檬酸發(fā)酵周期為75（包括發(fā)酵罐清洗、滅菌、進出物料等輔助操作時間）。則每天需糖液體積為。每天產(chǎn)純度為99.5%的檸檬酸153，每噸100%的檸檬酸需糖液7.58；=7.58*153t=1159.7設發(fā)酵罐的填充系數(shù)，則每天需要發(fā)酵罐的總容積為（發(fā)酵周期為48h）。=1159.7/90%=1288.6（3）發(fā)酵罐個數(shù)的確定：現(xiàn)選擇公稱容積為200的六彎葉機械攪拌通風發(fā)酵罐為例，則需要發(fā)酵罐的個數(shù)為。查表知公稱容積為200的發(fā)酵罐，總容積為226.5，則：發(fā)酵罐所需個數(shù)=日產(chǎn)量/每臺設備產(chǎn)量*操作周期/24=153/24.2*75/24=19.7個取公稱容積200發(fā)酵罐20個；每日投（放）罐次：153/24.2=6.3,圓整到7次，日運轉11088*66/75=10.45。。（4）實際產(chǎn)量驗算：226.5*0.9*7*300=54882>45900.能滿足產(chǎn)量要求。4.1.2主要尺寸的計算（1）現(xiàn)按公稱容積200的發(fā)酵罐計算V全＝V筒+2V封＝230（m3），封頭折邊忽略不計，以方便計算：則V全＝0.785D2×2D+π/24×D3×2＝230解方程得：D＝5.009（m）取D=5m，H=2D=10m；根據(jù)《發(fā)酵工廠設計概論》通用發(fā)酵罐系數(shù)表，查得封頭高為H封＝ha+hb==1250+50=1300(mm)。（2）驗算全容積：===2304.1.3發(fā)酵罐冷卻面積的計算對檸檬酸酸發(fā)酵，每1發(fā)酵液，每1h傳給冷卻器得最大熱量約為4.18×6000kJ/(·h)。采用豎式列管換熱器。取經(jīng)驗值K＝4.18×500kJ/(·h·℃)。平均溫差為：35℃35℃15℃28℃207代入得：=℃對公稱體積200得發(fā)酵罐，每次放罐次4罐，每罐實際裝液量為：1159.7/7=165.7換熱面積F=Q/K=(4.18*6000*165.7)/4.18*500*13.1=發(fā)酵罐攪拌器的設計選用六彎葉渦輪攪拌器。（1）主要尺寸：列該攪拌器的各部尺寸與罐徑有一定的比例關系，如下：攪拌器葉徑葉寬弧長底距盤徑葉弦長葉距彎葉板厚12（2）轉速：取四檔攪拌，攪拌轉速N可根據(jù)50罐，攪拌器直徑1.05m，轉速n=110r/min,以等為標準放大求得：（3）攪拌軸功率：通風攪拌發(fā)酵罐，攪拌軸功率的計算有許多方法，現(xiàn)采用修正的脈凱爾式求攪拌軸功率，并由此選擇電機。①計算：＝式中：－攪拌器直徑，為1.7m－攪拌器轉速，為＝80/60＝1.33(r/s)－醪液密度，＝1050kg/－醪液粘度，＝N·s/將數(shù)代入上式，得：＝視為湍流，則攪拌功率準數(shù)＝4.7②計算不通氣時的攪拌軸功率：＝式中：－在湍流狀態(tài)時其值為常數(shù)4.7－攪拌器轉速，為1.33(r/s)－攪拌器直徑，為1.7m－醪液密度，＝1050kg/代入上式得：＝4.7××1050＝168.849kW四檔功率則為：＝4＝659.396kW③計算通風時的軸功率：＝kW式中：－不通氣時的攪拌軸功率，－攪拌器轉速，為80r/min－攪拌器直徑(cm)，－通風量(ml/min)，通風比為，取低限，如通風量變大，會小，為安全，現(xiàn)取0.11，則：＝(1.98×＝3.835kW④求電機功率：＝采用三角帶傳動＝0.92，滾動軸承＝0.99，滑動軸承＝0.98，端面密封增加的功率為1％，代入公式數(shù)值得：＝＝535.830kW查取合適電機。4.1.5發(fā)酵罐設備結構的工藝設計（1）空氣分布器本罐使用單管進風，風管直徑計算見后面的接管設計。（2）檔板檔板的作用是加強攪拌強度，促使液體上下翻動和控制流型，防止產(chǎn)生渦而降低混合與溶氧效果。本罐因有扶梯和豎式蛇管，故不設檔板。（3）密封方式本罐采用雙面機械密封方式，處理軸與罐的動靜問題。（4）冷卻管布置豎式蛇管冷卻裝置。求最高熱負荷下的好水量W：式中：--每1醪液在發(fā)酵最旺盛時，1的發(fā)酵量與醪液總體積的乘積：=165.7*4.18*6000=4.16*106--冷卻水的比熱容，4.174KJ/h--冷卻水出溫，15℃代入上式得：W=22.35kg/s冷卻水體積流量為，取冷卻水在豎直蛇管中流速為，根據(jù)流體力學方程式，冷卻管總截面積為：式中：--冷卻水體積流量，1.2124*--冷卻水流速，1則有：進水管直徑冷卻管組數(shù)和管徑設冷卻管總表面積為豎直蛇管得組數(shù)N，根據(jù)管的大小一般取3、4、6、8、12……組，通常每組管圈數(shù)不超過6圈，增加組數(shù)可排下更多的冷卻管，管與攪拌器的最小距離不應小于250mm；每圈管子的中心距為2.5，管兩端U型或V型彎管，可彎制或焊接，安裝是每組豎直蛇管用專用夾板夾緊，懸掛在托架上。夾板和托架則固定在罐壁上，管子與管壁的最小距離應大于100mm，主要考慮便于安裝、清洗和良好傳熱。根據(jù)發(fā)酵罐的實際情況，取管徑。由上式得：查金屬材料表選取無縫管，＝68mm>，＝72mm，現(xiàn)取豎蛇管圈端部U型彎管曲徑為200mm，則兩直管間距離為400mm，總長度：＝＝3.14×400＝1256mm冷卻管總長度L的計算：冷卻管總面積F＝151.3，無縫鋼管為，每米的冷卻面積為：冷卻管占有體積：每組管長和管組高度：另需連接管可排豎直蛇管的高度，設為靜液面高度，下部可伸入封頭250mm。設發(fā)酵罐內附件占有體積為0.5,則總占有體積：由前可知，=則管筒體部分液深為：豎蛇管總高：又兩端彎管總長：則直管部分高度：則一圈管長：每組管子數(shù)：（圈），?。ㄈΓ┈F(xiàn)取管間距為豎蛇管與管壁的最小距離為0.15m，則可計算出與攪拌器的距離在允許范圍內（不小于200mm）。校核布置后冷卻管的實際傳熱面積：可滿足要求。4.1.6發(fā)酵罐設備材料的選擇發(fā)酵設備的材料選擇，優(yōu)先考慮的是滿足工藝的要求，其次是經(jīng)濟性。有機酸發(fā)酵，考慮到對產(chǎn)品質量和產(chǎn)量的影響，安全性，后道工序除鐵困難，腐蝕性強等，必須使用加工性能好，耐酸腐蝕的不銹鋼，采用制作發(fā)酵設備。4.1.7發(fā)酵罐壁厚的計算（1）確定發(fā)酵罐的壁厚Smm式中：P—設計壓力，取最高工作壓力的1.05倍，現(xiàn)取P=0.4MPa;D—發(fā)酵罐內徑，5000mm[σ]—不銹耐酸鋼的許用應力；φ—焊封系數(shù)，由D=5000mm>800mm,雙面對接焊局部探傷，取φ=0.9；C—壁厚附加量；其中：--鋼板負偏量，視鋼板厚度查表確定，其范圍為--為腐蝕余量，單面腐蝕取1mm，雙面對接焊局部探傷，取φ=0.9；--加工減薄量，對冷加工C=0.5+0+0=0.5mm則：S=0.4*500/（2*131.29*0.9-0.4）+0.05=8mm選取10mm厚不銹耐酸鋼。封頭壁厚計算標準橢圓封頭的厚度計算公式如下：代入數(shù)得：S=0.4*5000/（2*131.29*0.9-0.4）+1.5=9.97mm選取10mm厚不銹耐酸鋼。4.1.8發(fā)酵罐接管設計（1）接管的長度H設計取接管長度為8m。（2）接管直徑的確定該管實裝醪量174.34，設5h內排空，則物料體積流量：Q=174.34/（3600*5）=9.7*發(fā)酵醪流量取；則排料管截面積：由得：管徑取無縫鋼管認為適用。若接通風管計算，壓縮空氣在下，支管氣速為，現(xiàn)通風比，為常溫20℃，0.1MPa下的情況，要折算到0.4MPa，36℃狀態(tài)下，風量Q，取最大值，利用氣態(tài)方程式計算工作狀態(tài)的風量：取風速V=25m/s，則風管直徑：因通風管也是排料管，故取兩者中的大值，取無縫鋼管，可滿足工藝要求。（3）排料實踐復核：物料流量流速管道截面積在相同流速下，流國物料因管徑較原料計算結果大，則相應流速比為：倍排料時間：4.1.9發(fā)酵罐支座的選擇對于以上的發(fā)酵罐，由于設備重量較大，應選用裙式支座。4.2種子罐的選型種子罐的選型同發(fā)酵罐，采用機械攪拌通風發(fā)酵罐。4.2.1種子罐容積和數(shù)量的確定（1）種子罐容積的確定：接種量按10%計算，則種子罐容積為：式中：——發(fā)酵罐總容積。種子罐個數(shù)確定：種子罐與發(fā)酵罐對應上料。發(fā)酵罐平均每天上7罐，需種子罐7個。種子罐培養(yǎng)20h,輔助操作8~10h,生產(chǎn)周期約25h，因此，種子罐7只就足夠。4.2.2種子罐主要尺寸確定種子罐仍采用幾何相似的機械攪拌通風罐。，則種子罐總容積：；簡化計算方程如：整理后，圓整到推薦的系列尺寸，取則：查相應表得封頭高：罐體總高：查表選取橢圓封頭直邊高度：圓筒容量：不計上封頭容積：校核種子罐總容積：比需要的種子罐容積23m3大，可滿足設計要求。4.2.3種子罐型號確定由上述計算，選用容積為30m3的機械攪拌通風式發(fā)酵罐作為種子罐。4.3貯罐選型4.3.1發(fā)酵成熟醪貯罐根據(jù)化工原理貯罐類設計原則，便于計量和清洗，不宜多，一般不超過3支本設計根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的需要，選擇1支發(fā)酵成熟醪貯罐。（采用蒸汽直接加熱，裝料系數(shù)取0.7）。則有：，分三班運做，則，取筒徑高比H=2D，有：，取整D=6m,則H=2D=12m，,滿足要求。4.3.2硫酸銨貯罐按前計算，硫酸銨總量按對接種量質量比0.5%，得硫酸銨用量：G=0.35t/d，流加硫酸銨溶液為40%，最終重度為5。（1）則每天用硫酸銨溶液體積為?。?）計劃硫酸銨溶液制備滅菌工作安排三班作業(yè)，每班配制硫酸銨溶液，占全天使用量的1/3，則每支罐體積為（3）滅菌所需熱量由內列管提供。取H=2D，有：圓整到推薦的系列值，取D=3.8m，H=7.6m則，滿足要求。（4）材料的選擇根據(jù)硫酸銨的濃度，溫度，及腐蝕性，本設備選用不銹鋼制作。4.3.3設備一覽表其他設備都作為輔助設備要根據(jù)生產(chǎn)能力，按物料衡算結果進行選型?，F(xiàn)將發(fā)酵車間所選設備結果見表4—1：表4—1年產(chǎn)5萬噸檸檬酸發(fā)酵車間設備一覽表序號設備名稱規(guī)格與型號臺數(shù)材料備注1發(fā)酵罐公稱容積200，201Gr18Ni9Ti鋼專業(yè)設備2種子罐公稱容積30，7鋼專業(yè)設備3預過濾器JLS-Yu-04520金屬鎳專業(yè)設備4蒸汽過濾器JLS-F-03520金屬鎳專業(yè)設備5金屬過濾器JLS-04520金屬鎳專業(yè)設備6液化醪泵IS80-50-2001機體鑄鐵通用設備7硫酸銨溶液輸送泵IS80-50-2001機體鑄鐵通用設備8種子液輸送泵IS80-50-2007機體鑄鐵通用設備9發(fā)酵醪液輸送泵IS80-50-2007機體鑄鐵通用設備10自來水輸送泵IS80-50-2001機體鑄鐵通用設備11硫酸銨貯罐V=93.311Gr18Ni9Ti鋼非標準設備12發(fā)酵醪貯罐V=367.211Gr18Ni9Ti鋼非標準設備13調漿桶V=621Gr18Ni9Ti鋼專業(yè)設備14液化維持罐V=1211Gr18Ni9Ti鋼專業(yè)設備合計109臺5全廠及車間布置5.1全場及車間布置在本設計中，作為一個面向現(xiàn)代化的檸檬酸工廠，在設計中廠區(qū)的交通，衛(wèi)生，環(huán)境要求都比較高，各車間的布局要合理，便于生產(chǎn)的順利進行，將生產(chǎn)區(qū)和辦公大樓分開建設，一個完善而先進的污水處理站也是必需的。同時，還應該有工人娛樂場，工會組織等。車間布置設計的目的是對廠房的配置和設備的排列作出合理的安排，并決定車間，工段的長度，高度和建筑結構形式，以及各車間之間與工段之間的相互關系。車間布置設計必須在充分調查的基礎上，掌握必要懂得資料作為設計的依據(jù)或參考。這些資料包括：生產(chǎn)工藝流程圖，物料衡算數(shù)據(jù)及物料性質，設備資料，公用系統(tǒng)耗用量，土建資料和勞動安全，防火，防爆資料，車間組織及定員資料，廠區(qū)總平面布置，有關布置方面的一些規(guī)范資料。本設計負責年產(chǎn)50000噸一水檸檬酸廠發(fā)酵車間工藝設計，其主要工序包括液化醪→發(fā)酵醪→發(fā)酵成熟醪→至提取。車間布局包括三層樓。發(fā)酵罐因罐體較大貫穿于第1、2、3層；種子罐與硫酸銨貯罐貫穿于第1、2層；泵體一般安裝于第1層，除主物料液化醪的輸送泵置于第2層樓，（為了節(jié)省能耗，從液化段的噴射冷凝器直接送到二樓）；而發(fā)酵液貯罐因罐體龐大且無特殊要求，可置于發(fā)酵車間的室外；金屬過濾器都安裝于第3層，便于對發(fā)酵罐操作。這樣的布局符合檸檬酸生產(chǎn)的工藝要求。具體布局見附圖。5.2車間布置設計原則5.2.1車間布置設計的目的和重要性車間布置設計是為了對廠房中的設備，原材料的放置進行合理的安排，從而確定車間大小，并在其基礎上盡量節(jié)省開支，通過對工廠車間的布置做到使工藝流程做到最優(yōu)化。車間的布置需要深思熟慮，仔細推敲，從而