精品【毕业设计】年产1万吨维生素C发酵车间设计-定.doc
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年产1万吨维生素C发酵车间设计
目录
中文摘要………………………………………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………………………………………Ⅱ
1绪论 1
1.1维生素C简介 1
1.2维生素C主要作用 1
1.3厂址选择 2
1.4市场需求分析 3
1.5可行性研究结论 3
2工艺流程设计 5
2.1空气除菌过程 5
2.2第一步发酵过程 5
2.3第二步发酵过程 6
2.42-酮基-L-古龙酸的提取分离过程 6
2.5碱转化法合成Vc 7
2.6发酵工艺条件的优化 7
3物料衡算及能量衡算 8
3.1物料衡算 8
3.2能量衡算 9
4核心设备设计 10
4.1选择设备的原则 10
4.2主要设备选型与计算 10
4.3辅助设备选型 17
4.4提取工序设备选型 18
4.5包装 21
5环境评价与保护 22
5.1三废产生情况 22
5.2治理方案 22
5.3开发清洁生产工艺 22
6生产组织、劳动定员和人员培训 23
6.1生产组织 23
6.2劳动定员 23
6.3人员培训 23
7经济核算 25
7.1项目总投资估算 25
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1万吨维生素C发酵车间设计
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
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字典
II
年产1万吨维生素C发酵车间设计
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=+=230m³D=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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