年产3万吨一水柠檬酸生产工艺设计.docx
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年产3万吨一水柠檬酸生产工艺设计
生物制品工艺学课程设计
题目：
年产3万吨一水柠檬酸生产工艺设计
学校：
北方民族大学
学院：
生物科学与工程学院
专业：
生物工程
班级：
101
组别：
第二组
组长：
略
组员：
略
日期：
2012年5月13日
3
1.
4
1.1
柠檬酸简介
4
1.2
目前柠檬酸发酵生产的状况及其主要的生产技术5
2.
6
2.1
生产方法
6
2.2
生产流程
6
2.3
操作工艺
7
2.3.1
原料的处理
7
2.3.2
无菌空气的处理
8
2.3.3
种子的培养
9
2.3.4
发酵工序及醪液处理工序
9
2.3.5
提取工段
10
2.3.6
精制工段
11
2.3.7
污水处理工序
12
3.
13
3.1
物料衡算
13
3.1.1
工艺技术指标及基础数据
13
3.1.2
原料消耗计算基准
14
3.1.3
发酵醪量的计算
14
-1-
3.1.4
接种量
14
3.1.5
液化醪量的计算
14
3.1.6
成品柠檬酸
14
3.1.7淀粉质原料年产3万吨一水柠檬酸总物料衡算15
4.
16
4.1发酵罐的选型
16
4.1.1发酵罐容积和台数的确定
16
4.2柠檬酸生产的主要工艺设备表17
5.
18
6.
19
20
21
22
23
24
-2-
摘要
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13%、
淀粉75%、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。
本设计对目前发酵生产柠檬酸的状况及其主要的生产技术做了阐述，并对发酵生产柠檬酸的工艺技术方法、工艺流程及设计技术说明给出了明确设计。
因为知识有限，在工艺计算方面，只做了物料衡算和发酵罐选型的有关计算。
确定了柠檬酸生产的主要工艺设备选型以及全厂及车间布置。
本设计还包括全厂平面图，车间平面布置图，工艺流程图等。
-3-
1.前言
1.1柠檬酸的简介
1.1.1名称
柠檬酸，是一种重要的有机酸，又名枸橼酸。
化学名称：
2-羟基-1,2,3-已三酸结构式为：
1.1.2物理性质
柠檬酸为白色结晶粉末，无臭。
熔点（℃）：
153℃；密度：
1.542g/cm3；溶解性：
溶于水、乙醇、乙醚，不溶于苯，微溶于氯仿。
1.1.3化学性质
从结构上讲柠檬酸是一种三羧酸类化合物，并因此而与其他羧酸有相似的物理和化学性质。
加热至175°C时它会分解产生二氧化碳和水，剩余一些白色晶体。
柠檬酸是一种较强的有机酸，有3个H+可以电离；加热可以分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。
1.1.4主要用途
柠檬酸是有机酸中第一大酸，由于物理性能、化学性能、衍生物的性能，是广泛应用于食品、医药、日化等行业最重要的有机酸。
在食品和医学上用作多价螯合剂，也是化学过程
的中间体。
柠檬酸在自然界中分布很广，主要存在于柠檬、柑橘等。
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（包括固体和液体）都使用柠檬酸作为酸味剂，通常的添加量为
0.25%-0.4%（m/m）。
此外，食品加工和奶制品也添加柠檬酸或柠檬酸盐。
据不完全统计，使用柠檬酸的食品或药品（如化学药的枸橼酸盐）约有上千种之多。
柠檬酸除用于食品和医药
工业外，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、日化行业及其他工业的通用原料[1]。
-4-
1.2目前柠檬酸发酵生产的状况及其主要的生产技术。
1.2.1柠檬酸发酵生产的状况
1917年，美国学者Currie发现了一株产柠檬酸的黑曲霉，并通过美国的Pfizer（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，美国的Miles公司首先成功地采用液体深层发酵工业化规模生产柠檬酸。
由于这种新工艺比传统的浅盘工艺有更
多的优越性，因而推动了世界柠檬酸工业的迅速发展，深层发酵法也成为柠檬酸发酵生产的
主要工艺。
到2000年，全球柠檬酸的年生产能力在90万吨以上，并一直保持比较平稳的发
展速度[1]。
我国柠檬酸发酵工业起步较晚，1969年上海酵母厂成功利用薯干粉深层发酵柠檬酸。
在20世纪80年代，由于出口的需要，我国的柠檬酸生产发展速度，已成为世界上柠檬酸生
产量最大的国家。
全国有近90家柠檬酸生产企业，年生产能力达近50万吨，占世界总量的40%
多。
2002年全国产量30多万吨，2003年达40余万吨。
我国开发的以白薯干为原料的产酸菌种具有其独到的特点，加之我国的许多地区对生产过程中排放的废水要求较低，多数生产企
业对生产过程中产生的废水没能进行比较有效的处理，因此，我国柠檬酸生产成本较低，在
国际市场上具有较强的竞争力。
近年来我国柠檬酸的年出口量一直保持在10万吨以上[1]。
随着生物技术的进步，柠檬酸工业有了突飞猛进的发展，全世界柠檬酸产量已达0.4Mt。
在柠檬酸发酵技术领域，由于高产菌株的应用和新技术的不断开拓，柠檬酸发酵和提取收率
都有明显提高，每生产1t柠檬酸分别消耗2.5～2.8t糖蜜，2.2～2.3t薯干粉或1.2～1.3t蔗糖。
人们正在大力开发固定化细胞循环生物反应器发酵技术。
1.2.2主要的生产技术
柠檬酸的发酵工艺可分为表面发酵、固体发酵和深层发酵三种。
表面发酵是利用生长在
液体培养基表面的微生物的代谢作用，将可发酵微生物转化成柠檬酸的。
这种技术出现最早，至今工业上仍有应用，主要用于糖蜜原料的发酵。
固体发酵是将发酵原料及菌体吸附在疏松的固体载体上发酵生产柠檬酸的过程。
深层发酵的特点是微生物菌体均匀的分布在液相中，
利用溶解氧，发酵时不产生分生孢子，全部菌体细胞都参与合成柠檬酸代谢。
由于这种工艺
具有明显的有点，所以逐渐在柠檬酸工业上占据主导地位[1]。
-5-
图1我国深层发酵柠檬酸基本工艺流程简图
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
本次生产工艺的基本过程是：
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CaCO3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H2SO4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CaSO4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
品的柠檬酸[2]。
-6-
淀粉糖
成品柠檬酸
配料
筛选
空
菌
气
种
干燥
灭菌
净化
种子
湿
次
纯
柠
品
发酵
檬
水
回
消泡剂
酸
溶
分离
废渣处理
过滤
蒸发结品
钙盐
中和
废渣处理
过滤
酸液
酸解酸解液离子交换处理
活性炭
图2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[3]。
-7-
图3薯干原料液化工艺流程
2.3.2无菌空气的处理
目的：
提高压缩空气的洁净度；去除压缩后空气中的油水
基本流程：
吸入空气→前过滤→空气压缩机→压缩空气冷却至适当温度→分离去除油和
水→加热至实罐温度，RH50-60%→空气过滤器→无菌空气
要保持过滤器有比较高的过滤效率，应维持一定的气流速度和不受油、水的干扰。
则要
有一系列冷却、分离、加热的设备来保证空气的相对湿度在50%～60%的条件下过滤，气流
速度可由操作来控制[4]。
-8-
１—高效前置过滤器２—压缩机３—贮罐４—冷却器５—丝网分离器６—加热器７—过滤器
图4高效过滤空气除菌流程
2.3.3种子的培养
工艺流程：
黑曲霉菌种的扩大培养一般要经过三个阶段，相应但阶段依次称为一级、二级和三级种子培养。
扩大培养但工艺流程和各级的培养方法因地而异，按照最终成品但形式可以区分为麸曲生产和孢子生产，前者时用固体醅培养，类似于我国白酒生产中但制曲，后
者时液体表面培养或固体表面培养，经过收集生产出纯粹但黑曲霉孢子[5]。
麸曲生产工艺流程：
麸曲生产方法在我国较为普遍，它的优点时操作简便，成本低，但
孢子不易收集。
它的第一级为斜面培养，第二级为茄子瓶培养（也有用大量斜面培养的），第
三级为麸曲培养，麸曲中的孢子不单独收集，全部曲用于发酵罐但接种。
整个过程可以简单表示如下：
一级二级三级
原种——→斜面——→茄子瓶——→麸曲——→种子罐
孢子生产工艺流程：
苏联等国家采用但接种物多是干孢子。
它的第一级也是斜面培养，
第二级时三角瓶液体表面培养，第三级也是液体表面培养，容器采用体积较大但铝盆等。
最
后将表面培养但菌膜干燥，干孢子单独收集起来备用。
整个过程可简单表示如下：
一级二级三级
原种——→斜面——→三角瓶——→铝瓶——→收集
2.3.4发酵工序及醪液处理工序
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（或种子罐），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种活力，一般经66小
-9-
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；种罐菌种活力及菌群数量达标后，即可移种。
在发酵或培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[6]。
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[6]。
图5发酵及醪液处理工艺流程
2.3.5提取工段
钙盐法：
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，要求并使中和废水经分流至污水处理站。
分离后的柠檬酸钙经卸料螺旋送至酸解桶
中，由热水或酸解液调浆，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，清洗液即稀酸解液收集用于调浆，
硫酸钙运至渣场综合利用，柠檬酸酸解送精制工段[3]。
-10-
图6粗提的工艺流程
2.3.6精制工段
离子交换与脱色柠檬酸液从暂贮灌中泵送离交纯化工序，经由阳离于交换塔，阴离子交换塔和活性炭脱色塔，离交脱色除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[3]。
蒸发与结晶在提纯溶液进入蒸发部分前，通过精过滤器除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（一水产品或无水产品），再经分离将柠檬酸晶粒从液相中分离出来，液相（母液）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[3]。
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]。
-11-
图7精制的工艺流程
2.3.7污水处理工序
生产工艺废水通过格栅池进入污水处理段调节池，调节水质水量，气浮池在絮凝剂和物理作用下，去除废水中的悬浮物和胶体物质等污染物，降低后续处理单元的工作负荷。
进入二相厌氧反应器之前用清水将污水进行1:
1的稀释降低进入反应器的污水负荷，然后经泵定量提
升进入二相厌氧反应器，在厌氧微生物的作用下，将废水中的各种复杂有机物分解转化成小分子有机物,甲烷和二氧化碳等物质，剩余污泥进入污泥沉淀池。
消化后的废水再进入延时曝气池，与污泥中的好氧微生物的进一步作用，去除剩余的有机物，部分随水流带出的悬浮物在斜管沉淀池中得以沉淀出来后废水达标排放。
厌氧接触池、延时曝气池及沉淀池的剩余污
泥通过污泥泵进入污泥储存池，加入絮凝剂后，经过板框压滤机脱水处理后运走。
滤液回流到调节池进行循环处理[7]。
整个工艺具体分为如下三个阶段：
（1）废水物理处理阶段。
废水流经格栅池、调节池、气浮池有效去除不溶性悬浮物，减轻后续生化处理的负荷。
（2）废水生化处理阶段。
经物理处理后的废水，先流入二相厌氧反应器中，进行厌氧反
应处理。
水解酸化阶段作为不完全厌氧过程,并没有直接降低废水中CODCr及BOD5,而是使
废水中结构复杂的大分子有机物降解转变成结构简单的小分子有机物,使它们易于生物降解。
同进水相比,水解酸化阶段其CODcr并没有降低,而是pH值降低,挥发有机酸升高，
BOD5/CODCr值提高。
因此，二相厌氧工艺的引入,使废水中难降解的污染物变为易降解的污染物,改变了废水的可生化性,为后续好氧生物降解提供了保证。
在这一过程中，采用了自行设计的二相厌氧器。
在设计中利用了水力自流作用，使废水进出反应器时，无需外加动力。
采用二相厌氧—好氧组合工艺处理高浓度柠檬酸有机废水，要保证最后出水水质，仍是好氧
-12-
阶段起决定性的作用。
在该项工程中，好氧处理采用了延时曝气法，选用了供氧能力大、氧
利用效率高的导流式机械曝气机进行阶段曝气，曝气机的开启与停止，均是根据废水中的DO浓度自动实行在线控制，取得良好效果。
通过现场测定,曝气池内残余溶解氧在1.5～2.5mg/l之间。
经二沉后的废水达标排放。
（3）二次沉淀阶段。
向好氧反应器处理排出的废水中投入微量絮凝剂，使废水中的悬浮物在絮凝剂的作用下，经斜管填料进行最后沉淀。
在工艺流程确定的过程中，主要考虑以下几条原则：
（1）柠檬酸生产废水含有机质多，浓度，同时本工程中废水排放要求较高。
（2）柠檬酸生产废水可生化性较好，易于生物降解。
（3）本工程要求低运行成本。
根据上述原则，确定采用图1所示的处理工艺流程[8]。
图8柠檬酸废水处理工艺流程图
3．工艺计算书
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：
30000t/a99.5%一水柠檬酸折合成27487.63t/a99.5%无水柠檬酸；
（2）生产方法：
外加耐高温α-淀粉酶液化，深层液体发酵，钙盐干法提取；
（3）生产天数：
每年300天；
（4）食用99.5%无水柠檬酸日产量：
27487.63÷300=91.63t/d，取整数为92t/d；
（5）食用99.5%无水柠檬酸年产量：
92×300=27600t/a；
（6）产品质量：
国际食用柠檬酸99.5%（质量分数），实际产率98%，副产品约占2%；
（7）薯干粉成分：
含淀粉量75%，水分13%；
（8）α-淀粉酶用量：
5U/g原料；酶活力为3000u/g。
（9）操作参数：
淀粉糖转化率98.5%，糖酸转化率95%，提取阶段分离收率95%，精制阶段
-13-
收率98%，倒罐率1%则其得率为11%99%；产酸率（即糖发酵液转化率）13%。
（10）无水氯化钙用量，0.1%。
（11）碳酸钠用量，0.15%。
3.1.2原料消耗计算（基准：
一吨成品柠檬酸）
年产3万吨一水柠檬酸，折合无水柠檬酸，按1995年5月，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”[9]
无水柠檬酸需要量为：
30000÷1.0914=27487.63t/a
（1）生产无水柠檬酸的总化学反应式：
（C6H10O5）nnH2O3n/2O2nC6H8O72nH2O
162192
X1000
（2）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需的理论淀粉消耗量：
X=1000×（162÷192）×99.5%=839.53kg
（3）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际淀粉消耗量：
X实际=X÷（98.5%×95%×95%×98%×99%）=973.4kg
（4）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际薯干粉原料消耗量：
973.4÷75%=1297.87kg
（5）α-淀粉酶的消耗量：
应用酶活力为3000u/g的α-淀粉酶使淀粉液化。
α-淀粉酶用量
按5u/g原料计算有：
1297.87×103×5÷3000=2.16kg
（6）无水氯化钙用量，0.1%。
有：
1297.87×0.1%=1.30kg
（7）碳酸钠用量，0.15%。
有：
1297.87×0.15%=1.95kg
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%）=8221.1kg
3.1.4接种量
接种量为发酵醪的10%，设接种量为x，则：
x/（发酵醪量-x）×100%=10%
即：
8221.1×10%÷110%=747.37kg
3.1.5液化醪量计算
成熟的蒸煮醪量计算：
蒸煮醪量=发酵醪量-接种量即：
8221.1-747.37=7473.73kg
3.1.6成品柠檬酸
-14-
日产柠檬酸量为：
27487.63÷300=91.63t/d
即结晶液中柠檬酸的含量为：
91.63t/d
需精制液中柠檬酸含量为：
91.63÷98%=93.5t/d
需分离液中柠檬酸的含量为：
91.63÷（95%×98%）=98.42t/d
3.1.7淀粉质原料年产3万吨一水柠檬酸厂总物料衡算
即对生产27487.63t/a99.5%无水柠檬酸的薯干原料柠檬酸厂进行计算。
（1）柠檬酸成品
日产食用99.5%无水柠檬酸量为91.63t，取整数为92t日产副产品为：
92×2%÷98%=1.88t则日产总量为：
92+1.88=93.88t
实际年产量为：
食用柠檬酸量为：
92×300=27600t/a
副产物为：
1.88×300=564t/a
总产量为：
27600+564=28164t/a
（2）淀粉用量
日耗量：
973.4×10－3×93.88=91.38t
年耗量：
91.38×300=27414t
（3）主要原料薯干用量
日耗量：
1297.87×10－3×93.88=121.84t
年耗量：
121.84×300=36552t
（4）根据以上计算，将物料衡算结果列于表3-1。
表１30000t/a料柠檬酸厂物料衡算表
物料名称
每吨产品物料消耗量
年产3万吨物料消耗量
（kg）
每天（t/d）
每年（t/a）
食用柠檬酸
980
92
27600
副产品
20
1.88
564
薯干原料
1297.87
121.84
36552
淀粉
973.4
91.38
27414
α-淀粉酶
2.16
0.20
60
发酵醪
8221.1
771.80
231540
接种量
747.37
70.16
21048
成熟蒸煮醪
7473.73
701.63
210489
无水氯化钙
1.3
0.12
36
碳酸钠
1.95
0.18
54
-15-
4.柠檬酸生产的主要工艺设备
以薯干为原料生产柠檬酸是我国特有的柠檬酸粗料发酵工艺，原料预处理设备可全部采用国产定型的粮食及饲料处理机械，生产过程简单、处理成本低、设备投资少。
4.1发酵罐的选型
当前，我国柠檬酸发酵占统治地位的发
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