最新年产5000吨发酵食醋发酵车间设计本科设计Word文档格式.docx
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2.糖化罐数量N2的确定，发酵周期8天：
21
3.主要尺寸计算（设上封头的容积与下封头相等）：
（三）酒精发酵车间21
2.酒精发酵罐数量N3的确定：
22
4.种子罐22
（四）醋酸发酵车间23
1.生产能力的计算23
2.醋酸发酵罐数量N4的确定：
23
3.主要尺寸的计算24
4.冷却面积的计算24
5.转子与定子的确定24
6.设备结构工艺设计25
7.壁厚计算25
8.接管设计26
9.支座设计26
10.种子罐26
（5）.车间设备一览表28
五、总结与谢辞29
附件29
1.全厂物料流程图29
2.醋酸发酵车间流程图30
3.醋酸发酵车间布置设计30
4.主要设备图30
参考文献30
万重阳
（武汉工业学院生物与制药工程学院武汉430023）
摘要：
食醋发酵是继酒精发酵之后，在醋酸菌氧化酶的作用下，生成醋酸的过程。
食醋原料，按照工艺要求一般可以分为主料、辅料、填充料和添加剂四大类。
主料大致是含淀粉、含糖、含酒精的三类物质。
本设计对醋酸生产的发酵车间进行了工艺计算和设备选型。
关键词：
食醋、发酵罐、深层发酵。
Abstract：
Vinegarfermentationfollowingtheprocessofalcoholicfermentationgeneratesaceticacidundertheactionofaceticacidbacteriaoxidase.Rawmaterialstoproducevinegar,accordingtotheprocessrequirements,canbegenerallydividedintofourcategories,suchasmainmaterials,auxiliarymaterials,fillingmaterialsandadditives.Themainmaterialsroughlycontainstarch,sugarandalcohol.Thedesignoftheworkshoptoproduceaceticfermentationwasaboutprocesscalculationandequipmentselection.
Keyword：
vinegar,fermenter,deepsubmergedfermentation.
绪论
1、食醋的起源与功能
食醋是传统的酸性调味品，我国酿醋自周朝开始，已有2500年历史。
中国各地物产气候不同，产生了各具特色的地方食醋，保持至今最著名的江苏镇江香醋、山西老陈醋、四川保宁麸醋、辽宁喀左陈醋等。
《中国医药大典》记载，“醋产浙江杭绍二县为最佳，实则以江苏镇江为”，镇江香醋以糯米为原料，是一种典型的米醋。
梁人陶弘景《神农本草经注》中就有关于镇江米醋用法的记载，据此，镇江香醋已有1400多年的历史。
性能：
味酸、甘，性平。
归胃、肝经。
能消食开胃，散淤血，止血，解毒。
因原料和制作方法的不同，醋的成品风味迥异。
醋是用得较多的酸性调味料。
每100mL醋中的醋酸含量，普通醋为3.5g以上，优级醋为5g以上。
由于醋能改善和调节人体的新陈代谢，作为饮食调料，需要量不断增长。
2、食醋的种类
食醋可划分为酿造醋、合成醋、再制醋三大类。
酿造醋是用粮食等为原料，经微生物制曲、糖化、酒精发酵、醋酸发酵等阶段酿制而成。
除主要成分醋酸外，还含有各种氨基酸、有机酸、糖类、维生素、醇和酯等营养成分和风味成分。
合成醋是用化学方法合成的醋酸配制而成，缺乏发酵调味品的风味，质量不佳。
再制醋是以酿造醋为基料，经过进一步加工制成，如五香醋、蒜醋、固体醋等。
3、食醋的原料
辅料，一般使用谷糠、麸皮或豆粕作辅料。
他们不仅含有一定量的碳水化合物，而且含有丰富的蛋白质和矿物质，为酿醋用微生物提供营养物质，并增加成醋的糖分和氨基酸含量，形成醋的色香味成分。
填充料，固态发酵法制醋以及速酿法制醋都需要填充料，其主要作用是疏松醋醅，积存和流通空气。
添加剂：
食盐，醋醅发酵成熟后要及时加入食盐以抑制醋酸菌，防止醋酸菌将醋酸分解，同时食盐还起到调和风味的作用。
砂糖、香辛料，能增加醋的甜味，并赋予食醋特殊的风味。
炒米色，能增加醋色泽及香气。
4、食醋的生产工艺
食醋的生产工艺分固态法及液态法两类。
（1）固态法酿醋工艺传统的固态法酿醋工艺主要有3种。
1、用大曲制醋：
以高粱为主要原料，利用大曲中分泌的酶，进行低温糖化与酒精发酵后，将成熟醋醅的一半置于熏醅缸内，用文火加热，完成熏醅后，再加入另一半成熟醋醅淋出的醋液浸泡，然后淋出新醋。
最后，将新醋经三伏一冬日晒液与捞冰的陈酿过程，制成色泽黑裼、质地浓稠、酸味醇厚、具有特殊芳香的食醋。
著名的有山西老陈醋。
2、用小曲制醋：
以糯米和大米为原料，先利用小曲（又称酒药）中的根霉和酵母等微生物，在米饭粒上进行固态培菌，边糖化边发酵。
再加水及麦曲，继续糖化和酒精发酵。
然后酒醪中拌入麸皮成固态入缸，添加优质醋醅作种子，采用固态分层发酵，逐步扩大醋酸菌繁殖。
经陈醋酿后，采用套淋法淋出醋汁，加入炒米色及白糖配制，澄清后，加热煮沸而得香醋。
著名的有镇江香醋。
3、以麸皮为主料，用糯米加酒或蓼汁制成醋母进行醋酸发酵，醋醅陈酿一年，制得风味独特的麸醋。
著名的有四川保宁（今阆中县）麸醋及四川渠县三汇特醋。
固态发醋法酿醋，由于是利用自然界野生的微生物，所以发酵周期长，醋酸发酵中又需要翻醅，劳动强度大。
目前已采用纯种培养麸曲作糖化剂，添加纯种培养酵母菌制成的酒母，进行酒精发酵，再用纯种培养醋酸菌制成的醋母，进行醋酸发酵而制得食醋。
也有采用酶法液化通风回流法，将原料加水浸泡磨浆后，先添加细菌α-淀粉酶加热液化,再加麸曲糖化,糖化醪冷却,加入酒母进行酒精发酵,待酒精发酵结束,将酒醪、麸皮、砻糠与醋母充分混合后，送入设有假底的醋酸发酵池中，假底下有通风洞，可让空气自然进入，利用自然通风及醋回流代替翻醅，并使醋醅发酵温度均匀，直至成熟。
酶法液化通风回流法的产量，出醋率和劳动生产率均比传统法高。
（2）液态法酿醋工艺传统的液态法酿醋工艺有多种。
1、以大米为原料，蒸熟后在酒坛中自然发霉，然后加水成液态，常温发酵3-4个月。
醋醪成熟后，经压榨、澄清、消毒灭菌，即得色泽鲜艳、气味清香、酸味不刺鼻、口味醇厚的成品。
著名的有江淅玫瑰米醋。
2、以糯米、红曲、芝麻为原料，采用分次添加法，进行自然液态发酵，并经3年陈酿，最后加白糖配制而得成品。
著名的有福建红曲老醋。
3、以稀释的酒液为原料，通过有填充料的速酿塔内进行醋酸发酵而成，如辽宁省丹东白醋。
液态发酵法制醋也渐采用深层发酵新工艺。
淀粉质原料经液化、糖化及酒精发酵后，酒醪送入发酵罐内，接入纯粹培养逐级扩大的醋酸菌液，控制品温及通风量，加速乙醇的氧化，生成醋酸，缩短生产周期。
发酵罐类型较多，现已趋缶使用自吸式充气发酵罐。
它于50年代初期被联邦德国首先用于食醋生产，称为弗林斯醋酸发酵罐，并在1969年取得专利。
日本、欧洲诸国相继采用。
中国自1973年开始使用。
食醋品种虽然繁多、工艺条件各具特色，但食醋酿造的基本工艺流程包含淀粉糖化、酒精发酵和醋酸发酵三个阶段。
具体工艺流程如下：
醋酸菌醋酸发酵
图1、醋酸基本工艺流程
5、液态法食醋质量标准
（1）感官指标
具有本品种固有的色泽;
有正常酿造食醋的滋味。
（2）理化指标
项目
指标
粮食醋
其他醋
总酸（以醋酸计）含量/（g/100ml）
≥3.5
无盐固型物含量/（g/100ml）
≥1.5
≥1.0
一、设计任务
二、生产方案和流程的确定
（一）生产方案的确定
空气自吸式发酵罐液态深层发酵制醋。
空气自吸式发酵罐液态深层发酵制醋是将淀粉质原料经液化．糖化、酒精发酵后，在空气自吸式发酵罐中完成液体深层醋酸发酵的新工艺。
具有原料利用率高，机械化程度高，生产周期短（8d），产品质量稳定等优点。
深层发酵法是向酒醪中接入醋酸菌后，采用向醪液中通入空气的方法来增加醪液中的溶解氧，使醋酸菌的醋酸发酵正常进行。
发酵设备多采用自吸式发酵罐，发酵品温32～35℃，发酵时间在3d左右。
原料选择大米，长江以南习惯以大米为原料，且大米制出来的醋口感较好。
（二）生产流程的确定
1.菌种选择
糖化选择黑曲霉。
酵母菌（AS2.399）酵母菌培养的最适温度为25～30度。
醋酸菌（许氏醋酸杆菌A.schutzenbachii）生长繁殖适宜温度25～27.5度，不耐热，最高生长温度37度，最适PH3.5～6.5，耐食盐为1%～1.5%。
该菌产酸高达11.5%，对醋酸没有进一步的氧化作用。
2.原料预处理
（1）原料的筛选和除杂
1.剔除霉变的原料，除去附着的尘土和杂物。
2.对带有皮壳的原料去除皮壳。
3.处理方法采用分选机筛选和水洗涤。
（2）粉碎与水磨
扩大原料同微生物酶的接触面积，使有效成分被充分利用，大多数情况下先粉碎，然后再进行蒸煮、糖化。
粉碎常用设备是：
锤式粉碎机、刀片轧碎机、钢磨。
技术要点：
细度<
50目；
浓度18～20°
Be’；
pH6.2～6.4（试纸测定）。
工艺参数：
加水浸泡1h；
用NaCO3调pH；
加CaCl20.2%补充Ca2+；
加中温α-淀粉酶0.25%（酶活力2000u/g）。
（3）原料蒸煮液化
使植物组织破裂，细胞中的淀粉被释放出来，淀粉由颗粒状转变为溶胶状态，另一个作用是高温杀菌。
液化后的糖浆具有香味i，用竹片撩液滴点呈渣水分离状；
碘反应成棕黄色；
DE值15%～20%。
流加法液化浆温85～90℃，88℃最佳。
维持10min；
升温煮沸10分钟。
麸曲制备
试管斜面菌种——三角瓶培养——帘子培养——厚层通风培养
培养基：
10%米曲汁麸皮+80%水麸皮+麸皮+10%～15%
（或麦芽汁）110%水稻壳+70%水
琼脂2%
PH6.0
培养条件：
30℃,3d30℃,3d30℃,3d30℃,1d
在帘子培养以前的麸曲制备过程为种曲培养阶段，这一阶段是以得到强壮的霉菌孢子为培养目的，所以培养组成、培养条件要符合微生物生长规律，即要符合霉菌孢子发芽、菌丝生长、菌丝繁殖和孢子着生的要求。
厚层通风培养是生产用曲培养阶段，这一阶段是以得到淀粉酶为主要培养目的，所以培养基的组成、培养条件既要符合微生物生长规律，又要符合微生物产酶规律。
采用高温糖化法，也称酶法液化法，它是先以α-淀粉酶制剂在85～90℃对原料粉浆进行液化，然后再用麸曲在65℃进行糖化。
具有糖化速度快、淀粉利用率高等优点。
糖化液碘呈淡橙黄色；
DE值25%～30%；
酸度0.2%。
加捣碎的麸曲5%（酶活力1200u/g）；
加曲温64℃；
糖化温度60～62℃；
糖化时间30min。
4.酒精发酵
通过纯培养方法制成酒母，再将其接入糖化醪中进行酒精发酵。
酒精含量8.0%～8.5%；
酸度0.3%～0.4%；
总醪量为原料之5～6倍。
酒母4%（原料）；
接种温度26～28℃，极限温度30℃；
发酵温度30～37℃，最适32～33℃，发酵时间60～68h。
5.醋酸发酵
向酒精发酵醪中接入醋酸菌，在适宜的条件下，乙醇经醋酸菌的作用氧化为乙酸的过程称为醋酸发酵，它是酿醋的主要环节，直接影响到食醋的产量与食醋的风味。
醋酸发酵工序由醋酸菌种子培养、醋酸发酵和陈酿等组成。
1.醋酸菌种子培养
酿醋过程中的醋酸发酵常在非严格无菌条件下进行，所以微生物种类复杂，但醋酸菌是醋酸正常发酵醪液中的主要微生物，它能氧化酒精为醋酸，有些醋酸菌还能把葡萄糖氧化成葡萄糖酸。
传统酿醋多采用自然醋酸菌，目前多采用纯种醋酸菌。
醋酸菌种子培养工业流程如下：
菌种试管斜面接种培养--—>
大三角瓶纯种扩大培养--—>
醋酸菌种子液态培养
试管培养基：
葡萄糖0.3g、酵母膏1.0g、碳酸钙2.0g、6%酒液100mL、琼脂2.0～2.5g。
三角瓶培养基：
酵母膏1%、葡萄糖0.3%、水100mL、浓度为95%的酒精4%。
种子液态培养：
4%～8%酒精发酵醪，醋酸种子酸度2.5%～3.0%，接种量5%～10%；
通风量0.1m/（m³
.min）；
培养温度32～35℃；
培养时间24h。
醋酸菌种子培养与其它微生物种子培养一样，除了使微生物繁殖以外，还有一个驯化作用，即使微生物适应于生产的要求，所以，在种子培养的前阶段，培养基的组成、培养条件多采用较优的工艺参数；
而在培养的后阶段，多采用接近于生产要求的工艺参数。
2.醋酸发酵
酒液酒度5%～6%；
醋酸发酵液酸度4.5%～5.5%。
接种温度28～30℃；
发酵温度32～34℃，最高不超过36℃；
前期通风量0.07m³
/（m³
.min）、中期0.1～0.12m³
.min）、后期0.08m³
培养时间65～67h。
醋酸菌含有乙酰辅酶A合成酶，能催化醋酸氧化，反应生成的乙酰辅酶A进入三羧酸循环，进一步氧化为CO2和H2O。
其反应式如下：
所以，醋酸发酵成熟时就要加入2%～5%的食盐，以抑制醋酸菌的活性。
在液态深层发酵中，可采用分割法去醪进行“半连续式发酵”，即取出1/2～1/3量的发酵成熟醋醪，同时补加相应量的酒醪。
这一方法即可以省却醋酸菌种培养工序，且发酵罐中的菌种在醋酸发酵过程中已得到充分驯养，所以，又有利于提高原料的利用率和产品质量，但分割法去醪应注意无菌操作。
6.压滤
滤渣水分≤70%；
酸度≤0.2%。
发酵醪预处理，55摄氏度维持24h；
压头醋、二醋用泵输送，泵压2*89KPa，压净停止。
压清醋用高位槽自然压力。
7.配兑和灭菌
灭菌后成品醋酸≥3.5%；
醋液红褐色，无混浊，无沉淀，无异味；
细菌数≤5000个/ml。
灭菌温度80℃，维持适当时间；
苯甲酸钠添加量为0.06%～0.1%。
8.陈酿
一是生醋经日晒夜露陈酿数月；
二是将成品醋封坛陈酿。
陈酿过程中，因美拉德反应等，食醋的色泽加深；
因氧化反应，食醋中的乙醇含量降低，而乙醛含量有所升高；
因酯化反应，食醋中的酯含量明显升高；
因缔合作用，食醋的风味变得醇和，醋酸的刺激性减弱。
（三）生产工艺流程示意图
图2、醋酸生产工艺流程示意图
三、工艺设计及计算
（一）工艺技术指标及基础数据
1.生产规模：
年产食醋5000t（醋酸含量4%质量分数）
2.生产工艺：
液态深层发酵、间歇发酵
3.工作制度：
全年工作300日，三班作业。
4.食醋日产量：
17t
5.食醋年产量：
5100t
6.副产品年产量：
次级食醋占食醋总量的2%。
7.产品质量：
符合GB18187—2000国家标准酿造食醋
8.大米原料含淀粉70%,水分13%。
9.α-淀粉酶用量为8u/g原料，糖化酶用量为150u/g原料，酒母糖化醪用糖化酶量300u/g原料。
10.醋酸发酵罐发酵周期8d、周期数300/8=38。
技术参数：
淀粉糖化率：
80%
糖→酒精得率：
85%
酒精→醋酸得率：
大米原料→成品醋：
160kg/t
（二）物料计算
1.主要原料的物料衡算
（1）淀粉糖化物料衡算
淀粉质原料加水加热糊化后，加入糖化曲或淀粉酶进行糖化，物料衡算总方程式
162180
1g1.11g
理论上1g淀粉完全水解后能生成1.111g葡萄糖。
但由于糖化酶的活力、种类、糖化工艺的原因，淀粉原料中支键淀粉和直链淀粉的比例不同，糖化结束后糖化醪中糖和非糖的比例控制不同等，因而使得糖化效果颇有差异，实际的糖化率一般以理论的75%-85%计算，即实际上1g淀粉能生成0.833~0.944g葡萄糖。
这里取80%，即1g淀粉能生成0.888g。
（2）酒精发酵物料衡算
向糖化醪液中接入酵母菌进行酒精发酵，其物料衡算可以用下列生化反应的总方程式为基础：
1802×
4688
1g0.51g
理论上1g葡萄糖能生产0.51g酒精，但由于酵母菌的生长繁殖、中间代谢产物的生成、酒精的挥发等，实际的酒精得率一般以理论酒精得率的85%计算，即实际上1g葡萄糖能生成0.434g左右的酒精。
（3）醋酸发酵物料衡算
向酒精醪液中接入醋酸菌，进行醋酸发酵，其物料衡算可以用下列生化反应的总方程式为基础
466018
1g1.30g
根据总方程式计算得到：
理论上1g酒精能生产1.30g醋酸。
但由于醋酸菌的生长繁殖，发酵过程中酒精和醋酸的挥发，以及醋酸的进一步氧化等，实际的醋酸得率一般以理论得率的80%计算，实际上1g酒精能生产1g左右的醋酸。
由上述计算得知，用淀粉质原料酿醋时，1g纯淀粉能生成0.888g葡萄糖，经酒精发酵得到0.385g酒精，再经醋酸发酵可以得到0.385g醋酸。
即1t食醋含40kg醋酸，需40/0.385=103.9kg淀粉，需大米103.9/0.7=148.4kg。
（4）大米年消耗量
5100t食醋中醋酸含量：
5100×
4%=204t
生产204t醋酸需要淀粉：
204/0.385=530t
年消耗大米量：
530/0.7=757.14t
（5）α-淀粉酶消耗量应用酶活力为2000u/g的α–淀粉酶使淀粉液化，促进糊化，可减少蒸汽消耗量。
α-淀粉酶用量按8u/g原料计算。
全年用酶量为：
757.14×
8=3.03t
2000
单耗量：
3.03×
103/5100=0.594kg/t
（6）麸曲耗用量所用麸曲糖化酶的活力为800u/g，使用量为150u/g原料，则糖化酶消全年耗量为：
757.14×
150=142.96t
800
142.96×
103/5100=28kg/t
（7）氯化钙（规格：
无水）
单耗：
0.15kg/t：
全年投料量：
0.15×
5100=765kg
（8）纯碱（规格：
工业用）
0.225kg/t：
0.225×
5100=1147.5kg
表1、原料消耗表（5000t/a）
名称
规格
单耗
全年投料量
大米
淀粉含量70%
148.4kg/t
103kg
α-淀粉酶
2000u/g
0.594kg/t
3.03×
麸曲
800u/g
28kg/t
142.96×
氯化钙
无水
0.15kg/t
765.07kg
纯碱
工业纯碱
0.225kg/t
1.15×
2.蒸煮醪量的计算
根据生产实践，淀粉原料连续蒸煮的粉料加水比为1:
3，粉浆量为：
148.4×
（1+3）=593.6kg
式中148.4——生产1t食醋（醋酸含量4%）需要的大米量
蒸煮过程使用直接蒸汽加热，在后熟器和汽液分离器减压蒸发、冷却降温。
在蒸煮过程中，蒸煮醪量将发生变化，故蒸煮醪的精确计算必须与热量衡算同时进行，因而十分复杂。
为简化计算，可按下述方法近似计算。
假定用罐式连续蒸煮工艺，混合后粉浆温度50℃，应用喷射液化器使粉浆迅速升温至88℃，然后进入连续液化器液化，再经115℃高温灭酶后，在真空冷却器中闪急蒸发冷却至63℃后入糖化罐。
其工艺流程图如下图所示。
图3、粉浆连续蒸煮液化工艺流程
干物质含量B0=87%的大米比热容为；
c0=4.18（1-0.7B0）=1.63[kJ/（kg.K）]
粉浆干物质浓度为：
B1=87/（4*100）=21.8%
蒸煮醪比热容为：
c1=B1c0+（1.0-B1）×
cw
=21.8%×
1.63+（1.0-21.8%）×
4.18
=3.62[kJ/（kg.K）]
式中cw——水的比热容[kJ/（kg.K）]
为简化计算，假定蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程维持不变。
⑴经喷射液化加热后蒸煮醪量为：
式中2748.9——喷射液化器加热蒸汽（0.5Mpa）的焓（kJ/K）
⑵经二液化维持罐出来的蒸煮醪量为：
630–630×
3.62×
（88-84）=626（kg）
2288.3
式中2288.3——第二液化维持罐的温度为84度下饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）
⑶经喷射混合加热器后的蒸煮醪量为；
626+626×
（115-84）=657（kg）
2748.9-115×
式中115——灭酶温度（摄氏度）
2748.9——0.5Mpa饱和蒸汽的焓（kJ/K）
⑷经汽液分离器后的蒸煮醪量：
657-657×
（115-104.3）=646（kg）
2245
式中2245——104.3摄氏度下饱和蒸汽的汽化潜热（kg）
⑸经真空冷却后最终蒸煮醪量为：
646-646×
（104.3-63）=605（kg）
2351
式中2351——真空冷却温度为63摄氏度下的饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）。
粉浆中干物质的质量分数：
=21.28%
3.糖化醪量的计算
麸曲（糖化力800u/g干曲），单耗：
28kg/t：
生产1t食醋的糖化醪量：
605+28=633kg
糖化醪干物质质量分数：
=20.5%
4.酒精发酵醪的计算
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