生物工程设备课程设计年产30000吨柠檬酸发酵设计学院：化工与材料学院专业：姓名：指导老师：生物工程学号：职称：高级工程师中国·珠海二○一五年十一月北京理工大学珠海学院课程设计诚信承诺书本人郑重承诺：我所呈交的课程设计《年产30000吨柠檬酸发酵设计》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。

承诺人签名：日期：年月日北京理工大学珠海学院12级生化工程设备课程设计任务书题目：年产30000吨柠檬酸发酵设计专业学院：化工与材料学院专业：生物工程学生姓名：指导教师：一、主要研究内容：1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。

2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定。

3、动力消耗、设备结构的工艺设计。

二、主要任务及目标：1、工艺设计和计算根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。

主要包括：（1）工艺设计①设备结构及主要尺寸的确定（D，H，HL ，V，VL，Di等）②通风量的计算③搅拌功率计算及电机选择④传热面积及冷却水用量的计算（2）设备设计①壁厚设计（包括筒体、封头和夹套）②搅拌器及搅拌轴的设计③局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等）④冷却装置的设计(包括冷却面积、列管规格、总长及布置等)2、设计说明书的编制设计说明书应包括设计任务书，目录、前言、设计方案论述，工艺设计和计算，设计结果汇总、符号说明，设计结果的自我总结评价和参考资料等。

3、绘制设备图一张设备图绘制，应标明设备的主要结构与尺寸。

指导教师签字：年月日工作小组组长签字：年月日年产30000吨柠檬酸发酵设计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。

本设计还包括发酵罐，全厂平面图，车间平面布置图，工艺流程图。

关键词：柠檬酸发酵设备设计与选型目录摘要 (I)第一章引言 (1)1.1柠檬酸简介 (1)1.2柠檬酸发酵生产的现状及生产技术 (1)1.2.1柠檬酸发酵生产现状 (1)1.2.2主要的生产技术 (2)第二章工艺流程 (3)2.1生产方法 (3)2.2工艺流程 (3)2.3操作工艺 (4)2.3.1原料的处理 (4)2.3.2无菌空气的处理 (5)2.3.3种子的培养 (5)2.3.4发酵工序及醪液处理工序 (6)2.3.5提取工段 (7)2.3.6 精制工段 (7)2.3.7污水处理工序 (8)第三章工艺计算 (10)3.1物料衡算 (10)3.1.1工艺技术指标及基础数据 (10)3.1.2原料消耗计算（基准：一吨成品柠檬酸） (10)3.1.3发酵醪量的计算 (11)3.1.4接种量 (11)3.1.5接种醪量的计算 (11)3.1.6 成品柠檬酸 (11)3.1.7淀粉质原料年产3万吨一水柠檬酸厂总物料衡算 (12)第四章设备的设计及选型 (13)4.1发酵罐的选型 (13)4.1.1发酵罐容积和台数的确定 (13)4.2柠檬酸生产的主要设备表 (14)第五章车间布置 (16)总结 (17)参考文献 (18)结语 (19)第一章引言1.1柠檬酸简介柠檬酸是一种重要的有机酸，又名枸橼酸，无色晶体，常含一分子结晶水，无臭，有很强的酸味，易溶于水。

其钙盐在冷水中比热水中易溶解，此性质常用来鉴定和分离柠檬酸。

天然柠檬酸在自然界中分布很广，天然的柠檬酸存在于植物如柠檬、柑橘、菠萝等果实和动物的骨骼、肌肉、血液中。

人工合成的柠檬酸是用砂糖、糖蜜、淀粉、葡萄等含糖物质发酵而制得的，可分为无水和水合物两种。

纯品柠檬酸为无色透明结晶或白色粉末，无臭，有一种诱人的酸味。

很多种水果和蔬菜，尤其是柑橘属的水果中都含有较多的柠檬酸，特别是柠檬和青柠——它们含有大量柠檬酸，在干燥之后，含量可达8%（在果汁中的含量大约为47 g/L）。

在柑橘属水果中，柠檬酸的含量介于橙和葡萄的0.005 mol/L和柠檬和青柠的0.30 mol/L之间。

这个含量随着不同的栽培种和植物的生长情况而有所变化。

1.2柠檬酸发酵生产的现状及生产技术1.2.1柠檬酸发酵生产现状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]。

图1-1 我国深层发酵柠檬酸基本工艺流程简图第二章 工艺流程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]。

图2-1 柠檬酸生产工艺流程示意图 净化空气菌种 种子 发酵 消泡剂 过滤 废渣处理 中和 钙盐 干燥 湿柠檬酸 纯水 分离 次品回蒸发结品 过滤 废渣处理 酸解 酸液 活性炭 酸解液 离子交换处理 灭菌 配料 筛选淀粉糖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]。

图2-1 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]。

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2-2 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。