年产10000吨柠檬酸发酵工厂的设计

第一章 总论

一、设计项目

设计课题：年产10000吨柠檬酸发酵工厂的设计 厂址：珠三角

重点车间：糖化车间、发酵车间 重点设备：发酵罐 二、设计范围

1、全厂初步设计

2、重点车间的工艺设计

3、环境保护、卫生和“三废”处理设施 4、重点车间工艺流程图一张 5、重点车间设备布置平面图一张 6、重点车间设备布置立面图一张 7、重点设备装配图一张 三、设计依据

1、广东轻工职业技术学院食品与生物工程系下达的毕业设计任务书 2、我国现行的有关设计和安装的技术规范和标准 3、参考资料：

《现代发酵技术》、《新型发酵食品》、《发酵有机酸生产与应用》、《发酵工厂设备》、《发酵工厂工业设计概论》 四、设计原则

1、设计工作要体现国家有关方针、政策，切合实际，安全使用，技术先进，作到精心设计，千方百计把工厂设计得合理，力求作到投资省，技术新，质量好，收效快，使设计工作符合社会市场经济建设的总原则；

2、设计工作必须从设计出发，认真调查研究，学会查阅文献，收集设计必须的技术基础资料，加强技术经济的分析工作。设计的技术经济指标以达到或超过国内同类型工厂生产实际平均先进水平为宜；

3、要积极采用新技术，力求设计在技术上具有现实性何先进性，尽可能提高劳动生产率，同时兼顾社会和环境效益； 4、设计工作要贯彻经济的原则，反对盲目最求形式；厂房和厂区设计以适用、经济为主导，适当讲究美观。注意节约用地，尽量少占耕地；

5、生物产品的工厂设计要考虑其工厂的独特要求，既要注意到周围环境（包括空气、水源）的清洁卫生，又要注意到工厂内各车间对卫生、无菌条件、防火等的要求。另外，食品类工厂还要贯彻国家食品卫生法有关规定，充分体现卫生、优美、流畅的原则。

6、设计过程中必须加强计划性，各阶段工作都要有明确的进度，使毕业设计工作能如期完成，最终通过毕业设计提高自身的分析和解决问题的能力。 五、厂址选择的要求

1、符合国家方针政策，厂址满足生产需要尽量不占良田，节约用地，又有发展余地

2、厂址的位置符合城市规划（供汽、供电、给排水、交通运输、职工文化生活、商业网点……）

3、厂址周围有良好卫生环境，空气质量要好，选在城市主导风向的上风侧，不受其他单位的烟尘和污染影响

4、厂址的地区要接近原料、燃料基地和产品销售市场，必须要充足近水源电源

5、选在郊区不近民居的地段，不要在有传染病原区和污染的河流下游及可能导致饮用水污染的地段

6、具有良好的交通运输条件

7、场地有效利用系数较高，并有远景规划的最终总体布局 8、有一定的基建施工条件和投产够的协作条件 9、厂址选择要有利于三废处理，保证环境卫生

10、防洪措施的防洪构筑物标高后场地设计正平标高应高出30 ~50年洪水重出期的0.3 ~0.5m

六、建厂规模和产品方案：

1、建厂的规模：年产10000吨，生产天数300天，三班制，连续操作生产 2、生产方案：

（1）以淀粉为原料，选用含淀粉比例为70%的薯干。 （2）产品为98%纯度的柠檬酸，符合国家GB标准。 （3）质量指标及技术指标 指标名称 指标数 指标名称 指标数 生产规模 生产方法 年生产天数 产品日产量 产品质量 发酵周期 10000（t/a） 深层发酵、电参析吸交法提取 300（t/a） 34（t/a） 纯度98% 75h 糖化周期 糖化收率 产酸率 转化率 提取率 22h 98.4% 13.0% 94.3% 79.5% 七、公用工程 供热：由热厂供给蒸汽，自备锅炉 供电：由电厂供给，自备发电机

供水：由电厂（自备水井、水塔）及水厂共同供给 压缩空气与制冷：由本厂自身生产供给 八、环保处理 1、废气处理：烟尘排放主要通过加高烟囱高度和采用除尘器等干式机械除尘。生产中使用的和工艺流程中产生的HCl、H2S、HCHO、H2SO4等气体通过设备密封，使用液体石蜡与空气隔离等措施防止其溢出，对于泄漏的少量废气通过机械排风和风筒高空排放等方式，做到不超标。

2、废渣处理：柠檬酸发酵后的废渣提取壳聚糖、麦角醇、氨基葡萄糖等生化产品技术废渣处理工艺：

玉米→粉碎→调浆→液化→糖化→过滤→湿玉米渣→干燥→包装 ↓ 糖化液进入发酵罐

3、废水处理：废水中含有有机酸、糖、蛋白质、脂肪、淀粉、纤维素、酶菌

等有机物及N、P、S等有机物。目前国外主要采用生化法进行简单处理。生化处理主要采用管道式厌氧消化器和高温厌氧消化池进行处理。上流式厌氧污泥床（UASB）是国外主要采用的柠檬酸废水处理方法。废水通过反应器底部进水管进入内筒，逐渐上升到反应器顶部的水分布器，通过红吸管均匀进入外筒和中筒之间与驯化好的污泥相混合，在厌氧菌的作用下，废水中的有机物被分解成沼气。通过斜板三相分离作用，水通过三相分离器上的上部的出水管排出，污泥留在反应器底部，沼气通过水封经管道排出，进入气柜被锅炉利用。上流式厌氧污泥床与其它厌氧处理方法相比有更强的耐负荷击力，处理效果好、剩余污泥少，操作方便简单等优点。

废水厌氧处理的特点： ①能显著降低BOD和COD

②在密闭系统中进行，能控制有机物分解后的异味，不产生大量泡沫，不流失 ③需要供热维持平衡

④废水在厌氧处理装置中停留时间长 “三废”处理总图：

玉米 柠檬酸生产系统 柠檬酸 市场 废渣 废水 部 石膏 菌落 玉米浆 浓废水 淡废水 分冷

却 化学反应 拌合 多效蒸发 氧化 水

干燥 达标排放 碳酸钙 硫酸钙 饲料 化学反应

氯化铵钾 硫酸钾铵

市场

以玉米为原料柠檬酸清洁生产系统示意图

第二章 工艺流程的选择及论证

一、柠檬酸的生产方法主要有发酵法、合成法和直接提取法，从生产工艺设备运作及其它方面的优、缺点进行比较，以发酵法最为优越。

生产工艺总流程：

玉米粉碎

调浆 氨水 菌种（黑曲霉菌）

一 采风 液化 包装 级

空压机 糖化 干燥 斜面培养

二 丝网过滤品 过滤 湿玉米渣 级 三级

空气干燥器 无菌空气 发酵 种子罐培养 三角瓶培养 饲料 干燥 菌丝体 过滤 部 炭柱脱色 分 用作 电渗析柱 冷 却水 离子交换 石灰 浓水调节池 高浓度废水 洗脱 去糖化剂 包装 UASD反应池 去易碳化物 正品 脱色 筛分 废水处理 沼气 抽滤 干燥 达标排放 脱硫 转型 湿柠檬酸

沼气柜 浓缩 结晶 分离 母液

二、柠檬酸生产方法的选择论证

①柠檬酸的生产方法主要有深层液体发酵法、表面发酵法、固体发酵法、半固体发酵法和生化反应器发酵法等。而微生物发酵柠檬酸是典型的好氧发酵，深层发酵是利用强制通入液相中的溶解氧发酵，表面和固体法是利用环境空气中气相氧来满足微生物代谢所需的氧。当前，大规模工业生产柠檬酸，以深层法最有竞争力和优越性，表面法次之，固体发酵法仍有活力，其他工艺仍处于研究开发阶段。

深层发酵的优点可以简单概况如下：

（1） 发酵体系是均一的液体，传热体质良好，不存在死亡。 （2） 设备占地面积小，生产规模大。

（3） 发酵速率高，采用预培养菌丝球接种时只需55∽75h即可发酵完毕。 （4） 产酸速率高，产柠檬酸几乎接近理论产率，菌体生产量少，从而原材料消

耗低

（5） 发酵设备密闭，杂菌污染的可能性小，管理方便。

（6） 完全机械化操作，并可以实现自动控制，劳动强度低，劳动生产率高。 （7） 发酵副产物少，有利于产品的提取，所得产品质量高。

目前对柠檬酸生产工艺的改进主要集中在以下几个方面：①以玉米粉代替薯干为原料由于薯干粉中淀粉含量低，杂质较多，发酵产率较低，会产生大量的发酵残留物，而且发酵液会产生大量花色素，为后续脱色造成很大的麻烦。二采用玉米为原料生产柠檬酸，产品质量好、废水少且一次性处理即可达标排放，并且脱色的活性炭大大减少。因此，以玉米为原料的生产工艺是一种相对低废工艺。 ②我国的柠檬酸生产厂家目前全部采用“钙盐法”提取工艺，每生产一吨柠檬酸要产生两吨固体硫酸钙，成为工业垃圾，造成严重的环境污染；由于需要加热和洗涤，生产过程粗放，因而能源消耗大、自动化水平较低；工艺本身存在缺陷，至少要有10%已经发酵好的柠檬酸未被提取，造成巨大的浪费。而采用“吸交法”新工艺后，柠檬酸总提取率平均达90.09%，突破了我国柠檬酸工业化生产提取率的最高纪录，达到了世界先进水平，产品质量显著提高，98%以上达到英国药典的规定标准，生产成本每吨下降1180元，副产品硫酸铵可作为复合肥料加以回收利用，实现了清洁化生产。

③“三废”综合利用生产1吨柠檬酸主要副产黑曲霉菌体约0.25吨，废糖水约14吨、发酵废渣约10吨和硫酸钙渣约2吨等。综合利用这些副产品，不但能减轻或消除环境污染，还能增加企业经济效益。 三、生产过程的总物料衡算

物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的。物料衡算是进入系统的全部物料衡算重量等于离开该系统的全部物料重量，即 ∑F=∑D+W

式中： F 进入系统物料量（kg） D 离开系统物料量（kg） W 失的物料量 （kg） （一）、生产能力

日产柠檬酸：5000×97.8%÷300=17t/d （二）、总物料衡算

淀粉水解为葡萄糖的总反应式： (C6H10O5)n?H2O?C6H12O6

162 180 淀粉水解为葡萄糖理论糖化率为：

180/162×100%=111% 即: 1.11 葡萄糖转成柠檬酸的总反应式： C6H12O6?2/3O2?C6H8O7?2H2O

180

192