年产1万吨维生素C发酵车间的设计（最终版）Word文档下载推荐.doc
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7.2生产成本和销售收入估算 25
7.3财务评价 25
7.4国民经济评价 26
致谢 27
参考文献 28
1
年产10000吨维生素C工厂设计
摘要
维生素C是人体必不可少的一种营养素，每天每人需要量标准为60毫克，坏血病就是由于维生素C的缺乏而引起的。
维生素C又具有较强的解毒作用，并可以治疗高血压、血管硬化、增强人体免疫力、促进伤口愈合等，同时还具有美白抗衰老的作用，在食品、食料、医药、化妆品等领域应用广泛。
维生素C产业符合中国健康产业发展大势，具有极大的发展潜力，因此本文论述了年产1万吨维生素C的工厂设计，并制定产品方案，设计工艺，进行车间平面设计，对维C发酵生产过程中物料平衡、热量平衡进行计算，设备选型，水电汽平衡，劳动力平衡，设定企业管理组织架构，实施环境保护规划并进行污水处理，并进行经济核算。
关键词维生素C/工厂设计/二步发酵法
10,000TONSOFVITAMINCPLANTDESIGN
ABSTRACT
VitaminCisanessentialhumannutrientrequirementperpersonperdaystandardof60mg,scurvyisduetoalackofvitaminCcaused.VitaminCalsohasstrongdetoxificationandtotreathighbloodpressure,hardeningofthearteries,enhanceimmunity,woundhealing,butalsohasawhiteninganti-agingroleinthefood,foodstuffs,pharmaceuticals,cosmeticsandotherfieldsarewidelyused.
VitaminCindustryinlinewiththedevelopmenttrendofChina'
shealthindustry,hasgreatdevelopmentpotential,thisarticlediscussestheannualoutputof10,000tonsofvitaminCinplantdesign,anddevelopproductsolutions,designtechnology,graphicdesignfortheworkshop,VictoriaCfermentationofProcessmaterialbalance,heatbalancecalculations,equipmentselection,water,steambalance,thelaborbalance,setcorporatemanagementstructure,implementationplanandthesewagetreatmentenvironmentalprotectionandeconomicaccounting.
KeywordsVitaminC/PlantDesign/two-stepfermentation
朗读
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字典
II
1绪论
1.1维生素C简介
维生素C（VitaminC，AscorbicAcid）是—种水溶性维生素，水溶液具有—定的酸性又抗坏血病，所以又叫抗坏血酸。
分子式：
C6H8O6；
分子量：
176.13。
结构式：
由于维C分子中存在两个不对称碳原子，决定了维C有四个同分异构体，其中L（+）—VC的抗坏血病效力最强。
维生素C分子中的烯二醇结构不稳定容易被氧化，并且氧化作用随着热、光、重金属的催化作用和溶液碱性的增加而增强。
人类不能自身合成维C，只能从食物中摄取。
其中水果和蔬菜中含有较多的维生素C，维生素C通常被小肠上段吸收，然后分布于身体的所有水溶性结构中，正常人体内维生素C代谢活性池中约有1500mg维生素C，最高储存峰值为3000mg维生素C。
正常情况下，维生素C在体内经代谢分解成草酸或与硫酸结合生成抗坏血酸-2-硫酸由尿排出。
有时也会有少量的维C直接由尿排出体外。
1.2维生素C主要作用
1.2.1维生素C用于治疗坏血病
维生素C能促进胶原蛋白的合成，胶原蛋白又参与细胞的连接。
当维生素C缺乏时，胶原不能正常合成，导致细胞连接障碍，微血管容易破裂，血液流到邻近组织，人体各部位易出血，呼吸恶臭，牙龈脱落，皮肤表面易产生瘀斑和紫斑，关节胀痛，严重时可导致死亡。
可通过补充维生素C加以治疗。
1.2.2维生素C的解毒作用
维生素C具有强还原性、酸性，能与体内氧化性有毒物质发生氧化还原反应，碱性有毒物质发生中和反应降低物质毒性。
维生素C能有效抑制体内的氧化作用，还能辅助淋巴单核细胞及白血球对乙醛、磺胺、普鲁卡因、巴比妥、水杨酸等药物的解毒作用，此外维生素C还能对重金属铅、镉、贡等具有较强解毒作用。
1.2.3维生素C能增强免疫力
具测定，人体在患病状态维生素C的含量会急剧减少；
维生素C可提高CI补体酯酶活性，增加补体CI的产生，促进干扰素的产生，干扰病毒mRNA的转录，抑制病毒的增生；
维生素C可参与免疫球蛋白的合成，调节人体物质代谢和能量代谢的平衡，增强人体白血球的吞噬能力，提高机体免疫力。
1.2.4维生素C具有治疗心血管病的作用
维生素c有降低血中甘油三酯和胆固醇的作用。
它可促进胆固醇在肝脏转移，从而降低血中胆固醇含量并减少动脉粥样斑块的形成。
实验观察到维生素c可增加心肌收缩力、增加心排血量、增强心室舒张性能，抑制心律失常等。
1.2.5维生素C具有治疗肿瘤的作用
有文献报道维生素C能影响肿瘤凋亡相关基因p53、c-myc及Bcl-2的表达[1]，抑制肿瘤细胞内DNA复合物合成，干扰肿瘤细胞代谢周期，诱导肿瘤细胞的分化，限制肿瘤细胞的生长，促进肿瘤细胞凋亡。
1.2.6维生素C在食品领域的应用
维生素C在腌肉中的作用抗坏血酸钠应用于香肠制品和传统肉制品的加工中，能促进腌肉色素的合成，拟制肉毒杆菌生长和亚硝基胺的合成；
维生素C在水果和蔬菜中的作用因为维生素C易被空气中的氧氧化，所以对含有空气的密封包装产品具有特殊意义，维生素C含量低的水果和蔬菜添加抗坏血酸后，可以有效的阻止氧化作用，保持水果的颜色和风味；
维生素在酿造制品中的作用啤酒在储藏期间易产生浑浊，产品的颜色、香味和滋味都会有变化，维生素C是一种合乎要求的食品添加剂，在啤酒中用作抗氧化剂，提高啤酒的澄清度。
1.2.7维生素C还被广泛应用于食料和化妆品领域
维生素C对畜禽、鱼类的生长发育起着非常重要的作用，在应用中我们一定要选择稳定性、缓释性好，利用率高的维生素C添加剂产品，使养殖业获得最佳收益。
维生素C用于化妆品中具有抗衰老、美白的作用。
还有祛斑美白的效果。
1.3厂址选择
项目位于郑东新区夏庄村，北临连霍高速、西邻G107交通便利，郑州铁路枢纽位于国家铁路交通大动脉京广铁路、陇海铁路的中央心脏位置，幅员全国。
市内公路网络四通八达，交通条件优越。
本项目拟以XXX糖业有限责任公司为依托，既可以该公司生产的白砂糖为原料，制得D—葡萄糖然后加H制得D-山梨醇，生产产品，又可以以省内广泛种植的小麦为原料，制得初步原料D—葡萄糖，从而生产产品维生素C。
具有就地取材的优点，原料运输费用低。
省内公路网络四通八达，必要时可从周边地区取材，交通便利。
1.4市场需求分析
从全球范围看，1974年到2006年，包括维生素在内的保健产品市场已经达到3500多亿美元。
人口占世界五分之—的中国，保健品市场份额仅占全球市场的2％。
随着国民经济的发展，健康产业的后续发展空间将非常之大。
第三次全国营养状况调查表明：
中国人普遍存在“潜在饥饿”，即缺乏各种微量营养元素，市场需求很普遍。
美国的3亿人口，有1亿人每天在吃多维元素片，市场份额在100亿美元以上。
中国13亿人口，具有维生素消费能力的人口远远超过美国，这个市场空间是无法想象的，市场的上限到底在哪里?
谁也无法准确估计。
健康与每个人都息息相关，消费者对健康类产品重视的程度和期望值都很高。
健康产业的发展必定更科学、更专业、更大众。
维生素产品对工艺、质量、疗效都有非常严格的要求和标准。
首先维生素产品更科学。
维生素和矿物质的应用，已经积累了100多年的研究经验。
有17位科学家，因为研究维生素而获得诺贝尔奖。
其次维生素产品更专业，维生素类产品，不是什么企业都能生产，它的配方和工艺，都有严格的规定。
最后维生素产品更大众。
维生素类产品—旦实现规模化生产，成本并不高，远低于保健品的价格，很容易引导大众的常规保健。
比如21金维他，每天不到8分钱，这样的价格策略，几乎可以攻入任何市场。
比起针对性特别强的单—产品，如补铁、补钙类，优势是很明显的。
维生素C是目前全球维生素生产厂竞争最激烈、产销量最大和应用范围最广泛的维生素产品，也是我国最主要的出口创汇原料药之—。
目前，全球维生素C消费量每年10万t以上，消费去向主要是医药、食品及饮料、动物饲料等三大领域，其中以食品饮料行业维生素C需求量最大，而动物饲料是近年发展起来的新领域，潜力很大。
综上所述，维生素C是适应中国健康产业发展大势的，在中国市场的潜力无疑是巨大的。
1.5可行性研究结论
自1983年以来，国际VC的市场价格波澜起伏，期间伴随国外、国内厂商的整合与进出。
期间经历了四次VC价格大战来描述，自2007年初的长期市场价格低迷之后VC市场价格开始攀升，国内有很多厂商开始、和准备开始进入VC市场，由于市场需求量大，而且整个中原区，尤其是河南地区没有专们的维生素C生产企业，所以产品的销售将不是问题。
原料供应及技术方面，以XXX糖业有限责任公司为依托，由该公司生产的白砂糖制得D-葡萄糖，采用两步法生产维生素C，由于河南存在极大面积的小麦种植基地，所以制糖业也不存在原料隐患，故维生素C生产原料供应稳定。
生产规模方面，目前准备投产或扩产的企业年产量均在3000～35000吨，如东北制药总厂（28000t/a）、石药维生药业（35000t/a）、牡丹江高科（VC复产扩建项目基本建成，正在等政府部门验收，3000t/a），本项目立足中原地区，拟初步建成年产10000吨的维生素C生产线。
如前所述，产品维生素C功效显著，符合国家重点发展计划中的“重点发展天然和绿色的医药、保健食品”的要求，本地区无专门维生素C生产企业，市场潜力巨大，符合现代消费观念，两段发酵法工艺技术先进，处于国际领先水平。
目前VC售价普遍在100元/千克，经济效益可观，社会效益显著因此，本项目建设具有很强烈的必要性和可行性。
2工艺流程设计
我国两步发酵工艺是20世纪70年代由中国科学院微生物研究所和北京制药厂共同建立的，包括2个发酵步骤，故称两步发酵法。
第一步是在醋酸杆菌作用下将D-山梨醇氧化为L-山梨糖，俗称醇糖转化；
第二步是在混合菌系的作用下将L-山梨糖进一步氧化为2-酮基-L-古龙酸，俗称糖酸转化。
我国Vc混合菌发酵技术具有很大的优势和潜力，其突出优势就是第二步糖酸转化效率非常高。
混合菌发酵法在国内的成功应用也引起了国外的广泛关注，并与上世纪80年代向瑞士HoffmannLa—Roche公司进行了技术转让[2]。
此法切实可行，整个过程的工艺流程：
D-山梨醇→L-山梨糖→2-酮基-L-古龙酸→L-抗坏血酸
说明：
第一步发酵：
D-山梨醇由微生物氧化成L-山梨糖；
第二步发酵：
L-山梨糖由大菌、小菌转化为2-酮基-L-古龙酸；
然后把2-酮基-L-古龙酸通过化学方法合成维生素C。
2.1空气除菌过程
维生素C的发酵过程属于好氧发酵，因此需要大量的无菌空气。
本设计采用两级冷却、分离、加热的空气除菌流程：
空气→粗过滤器→空压机→储罐→冷却器→旋风分离器→冷却器→丝网分离器→加热器→过滤器→（灭菌空气）
这种流程的特点：
2次冷却、2次分离、适当加热。
2次冷却、2次分离油水的主要优点是可节约冷却用水，油和水污分离除去比较完全，保证干过滤。
经过第一级冷却后，大部分的水油都已结成较大的雾粒，且雾粒浓度比较大，故适宜于用旋风分离器分离。
第二级冷却器使空气进一步冷却后析出较小的雾粒，易采用丝网分离器分离，这类分离器可分离较小直径雾粒且分离效果高。
经2次分离后，空气带的雾沫就较小，两级冷却可以减小油膜污染对传热的影响[3]。
2.2第一步发酵过程
2.2.1菌种
生黑葡萄糖酸杆菌R-30[4]，细胞椭圆至短杆状，G+，无芽孢，显微镜下浅褐色；
最适培养温度34℃，pH5.0～5.2，经扩大培养，接入发酵罐。
2.2.2培养基
种子和发酵培养基成分一致，主要包括D-山梨醇、玉米浆、酵母膏、碳酸钙等成分，添加适量维生素B增加产量。
D-山梨醇浓度过高容易产生抑制，一般控制在20%，超过250g/L产生抑制。
2.2.3发酵过程
控制温度34℃，pH5.0～5.2。
该反应耗氧比较大，同气比要求1:
1。
10h后发酵结束，发酵液经80℃10min低温灭菌，移入第二步发酵罐作原料。
D-山梨醇转化L-山梨糖的生物转化率达98%以上。
2.3第二步发酵过程
2.3.1菌种
由小菌【氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacteroxydans）】和大菌【巨大芽孢杆菌（Bacillusrnegaterium）】组成的混合菌株进行发酵生产。
其中小菌为产酸菌，单独培养时生长微弱，产酸较少；
大菌为伴生菌，不产酸，但促进小菌生长或产酸。
大小菌之间是一种协同共生关系，即大茵促进小菌生长和产酸，小菌也使大菌生长加快。
2.3.2培养基
种子培养基和发酵培养基成分类似，主要有L-山梨糖、玉米浆、尿素、碳酸钙、磷酸二氢钾等，pH值为6.8。
L-山梨糖初始浓度对产物生成影响较大，一般初糖浓度控制在30～50g/L。
超过80g/L产生抑制。
2.3.3发酵过程
由于大菌、小菌最适培养条件不同[5]，如小菌25～30℃，大菌28～37℃，所以发酵过程要兼顾两种菌的最适条件。
通常操作温度为30℃，pH值为6.8左右，溶氧浓度控制30%。
混合菌种经二级种子扩大培养，接入含有第一步发酵液的发酵罐中，通入无菌空气搅拌，初始8～10h菌体快速增长[6]。
当作为伴生菌的大菌开始形成芽孢时，小菌开始产酸。
在20～24h开始补加培养L-山梨糖，总浓度达到140g/L[7]。
当大菌完全形成芽孢后，产酸达到高峰，发酵结束[8]。
大约72h左右，L-山梨糖生成2-酮基-L-古龙酸的转化率可达70%～80%。
2.42-酮基-L-古龙酸的提取分离过程
经过两次发酵以后，发酵液中2-酮基-L-古龙酸含量仅约6%～8%，残留的菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等杂质存在于发酵液中[9]，需要将Vc前体——2-酮基-L-古龙酸提取出来。
工艺流程（图2-1）：
2.5碱转化法合成Vc
将2-酮基-L-古龙酸与甲醇反应生成2-酮基-L-古龙酸甲酯，该酯在NaHCO3的作用下内酯化生成VC钠盐，该钠盐经阳离子交换柱酸化后转变为VC，再经脱色、浓缩、结晶等工序得到纯VC[10]。
工艺流程（图2-2）：
2.6发酵工艺条件的优化
对于任何一种发酵产品，肯定存在着抑制该物质大量积累的影响因素[11]。
除了从代谢调控、微生物生理等角度研究这些因素对产酸积累的影响规律外，在发酵工艺的设计中我们还可以从加速底物消耗，缩短发酵时间，降低能耗，降低生产成本的角度来提高生产效率[12]。
进而提出相应的控制方法或策略，可望实现产品的高产量、高产率和高生产强度的相对统一。
31
3物料衡算及能量衡算
3.1物料衡算
根据维生素C的生产工艺:
维生素C的年产量为10000吨，因此生产维生素C的原料使用量（以最高使用量计）如下:
倒灌率：
1%；
D-山梨醇（M=182）到L-山梨糖转化率[4]：
98%；
L-山梨糖转化率到2-酮基-L-古龙酸（M=194）转化率：
80%；
2-酮基-L-古龙酸到维生素C（M=176）的转化率：
95%；
则D-山梨醇到维生素C的理论转化率为：
η=98%*80%*95%=74.48%
D-山梨醇的年需求量：
X=[（1/176）*182]/η=1.3884wt;
D-山梨醇的日需求量：
1.384*10000/300=46.28t;
（一年按300个工作日计算）
表3-1投料清单
物料名称
每周期原料消耗量
全年原料消耗量/t
山梨醇
13.884
1388.4
玉米浆
2.632
2632
硫酸铵
1.98
1980
磷酸氢二钾
0.68
680
磷酸二氢钾
1.127
1127
蛋白胨酵母膏
28.463
28463
可溶性淀粉
20.348
20348
尿素
7.36m³
7360m³
3.2能量衡算
3.21杀菌系统消耗冷水量:
2-酮基-L-古龙酸在发酵液中的浓度：
6%；
每天2-酮基-L-古龙酸（M=194）的产量：
[（46.28*98%*80%）/182]*194=38.68t；
每天处理发酵液总量：
36.68t/6%=644.60t；
第一步发酵完成后发酵液经80℃，10分钟低温灭菌，然后冷却到30℃进行第二步发酵，因此菌种系统冰水日耗量计算如下:
发酵液的比热：
3.82KJ/Kg；
冷水比热容4.20KJ/Kg，冷却前后温度变化20℃-50℃。
Q=CM△T；
Q冰水=Q发酵液
3.82*644.60t*（80-30）=4.2*M*（50-20）；
M=977.1t
3.22CIP系统蒸汽消耗量
每天清洗需要加热清洗介质，根据清洗用管式换热器的设计数据，但是基本上不会同时消耗蒸汽，因此可以按照70%，进行计算，即平均消耗蒸汽5000Kg/天。
3.23其他电力、压缩空气等耗量
电耗和压缩空气的耗量与设备的生产能力有关，将设备清单中设备的消耗量累计，即可得到能源的消耗，由于工厂不会所有设备同时运转，因此根据经验以该数据总量的70%对其进行计算。
4重点设备设计
4.1选择设备的原则
从设备的设计选型上，可以反映出所设计工厂的先进性和生产的可靠性。
因此在设备的工艺设计和选型时应考虑如下原则:
（1）保证工艺过程实施的安全可靠。
（2）经济上合理，技术上先进。
（3）投资省，耗材料少。
（4）运行费用低，水电汽消耗少。
（5）操作清洗方便，耐用易维修，备品配件供应可靠，减轻工人劳动强度，实施机械化和自动化方便。
（6）结构紧凑，尽量采用经过实践考验证明确实性能优良的设备。
（7）考虑生产波动与设备平衡，留有一定余量。
（8）考虑设备故障及检修的备用。
4.2主要设备选型与计算
4.2.1发酵罐选型
发酵罐无疑是本设计最为关键的设备,目前国内一般使用机械涡轮搅拌通风发酵罐，具有技术成熟可靠、稳妥且成功率高等特点。
生物反应发酵罐一般有20m³
、30m³
、50m³
、60m³
、75m³
、150m³
、200m³
等，国内一般为100-500m³
，而国外则都在400-500m³
，最大可能为1000m³
以上。
一般单罐体积越大则可以缩短生产周期提高产效，但同时也增大了风险以及加大了对设备系统、动力系统的要求。
本设计预计使用公称体积200m³
的发酵罐。
图4-1发酵罐图
4.2.1.1发酵罐个数与基本尺寸
有前面运算知单次周期内需发酵2000m³
液体，而罐的填充系数为φ=0.75，故所需总体积为：
V1==2000/0.75=2700m³
查表知公称容积为200m³
发酵罐总容积为230m³
从而需要n=
其中，V0——昼夜需要加工的发酵液量，m³
τ——生产周期,h
Va——罐的总体积，m³
φ——填充系数
由于V0=2000×
24/96τ=96
所以n=2000/（230×
0.75）=11.59图4-2发酵罐结构图
取整12个，由于是二步发酵共取24个从而可保证生产量
发酵罐主要尺寸计算
V=V筒+2V封由于上封口体积可忽略V封=V封==
V=+
而200m³
的径高比为2
故V=+=230m³
D=5009mm
取D=5mH=10m
根据《发酵工厂设计概论》通用发酵罐系数表查得封头高H=300mm
从而定容积V=V筒+2V封
=+
=0.785×
2×
53+3.14×
53/12
=229m³
≈230m³
从而满足设计
4.2.1.2发酵罐的冷却面积
由于为保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质最多及环境温度也最高时计算冷却下的发酵热。
对于每罐实际装液量V液=V全·
φ=230×
0.75=172.5m³
查阅相关经验值表抗菌素类ψ=冷却面积㎡/发酵液体积在1-1.5间
为保证足够换热面积ψ=1.5
从而A=V全ψφ=230×
0.75×
1.5=258.8㎡
或对于维生素C酶1m³
发酵液每1h传给冷却器最大热量约为4.18×
3300KJ/（m³
·
h）,而K值约为4.18×
500
26→26
20→23
-----—-
63
△tm=（6-3）/㏑（6/3）=4.33℃
从而A===262.9㎡
与258.8㎡较为接近
4.2.1.3发酵罐的搅拌器计算
采用六弯叶涡轮搅拌器
搅拌器叶径D1=D/3=1.67mD=5m
挡板宽度B=0.2D=1m
搅拌叶间距S=2D1=3.74m
搅拌叶距罐底距
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