年产4万吨柠檬酸厂提取车间工艺设计

1、 学科分类号：081801本科学生毕业设计 题目（中文）： 年产4万吨柠檬酸厂提取车间工艺设计 （英文）：Annual output of 40,000 tons citric acid plant extraction workshop design 姓 名 学 号 院 （系） 专业、年级 指导教师 2013年5月10日目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 概述11.1.1 柠檬酸用途11.1.2 柠檬酸循环21.2 柠檬酸发展简史21.3 国内柠檬酸形势31.4 设计规模与深度4第2章 柠檬酸生产工艺52.1 工艺流程的设计的原则52.2 柠檬酸生产方法的选择52.2.1

2、 生物发酵法52.3 工艺条件的确定62.3.1 柠檬酸的生物合成62.3.2 糖化工艺72.3.3 发酵工艺82.3.4 提取工艺112.4 柠檬酸生产工艺简介13第3章 工艺计算143.1 计算依据143.1.1 生产能力143.1.2 主要技术经济指标143.2 提取车间物料衡算14第4章提取车间设备计算及选型164.1 板框过滤机164.2 低位储罐164.3 滤渣洗水储罐164.4 碳酸钙调浆桶174.5 CaCO3高位储罐174.6 中和桶174.7 柠檬酸钙过滤机174.8 酸解锅184.9 CaSO4过滤184.10 酸解液储罐184.11 CaSO4洗水罐194.12 热水储

3、罐194.13 酸储罐194.14 H2SO4高位储罐194.15 真空抽滤罐194.16 水汽衡算20第5章 提取车间布置说明225.1 设计依据225.1.1 建筑设计规范225.1.2 基础资料225.2 车间布置说明225.2.1 车间组成225.2.2 厂房布置22第6章 设计总结23参考文献24致谢25年产4万吨柠檬酸厂提取车间工艺设计摘 要本文从柠檬酸及其用途，总体工艺建设方案，原料及其处理，发酵及醪液处理工艺，粗体及精制工艺等几个方面，简介工艺设计中的基本方法。本设计采用玉米原料通过液体深层好氧发酵，得到柠檬酸发酵液，再通过钙盐离子提取法提取柠檬酸。选用的菌种为黑曲霉G23-4

4、。此法工艺成熟、原材料易得、操作方便、产品产量稳定。本设计为年产量4万吨的柠檬酸厂提取车间工艺设计。在设计中我充分提高设备和车间的空间利用率，查阅了有关化工设备设计手册，并通过仔细计算，严格地选取设备。最后绘制了提取车间设备布置图，编写了详细的设计说明书。【关键词】柠檬酸； 提取； 工厂设计 Annual output of 40,000 tons citric acid plant extraction workshop design AbstractThis paper introduces the basic methods of technology design from the f

5、unction of citric acid, overall plans of technology design, raw materials, fermentation, crude process and refining process. This design uses the corn raw materials through the liquid oxygen deep good fermentation, the calcium salt ion extraction citric acid. The selection of strains is the Aspergil

6、lums Niger G23-4. This method is mature. The raw material is easy to get. It's easy to operate and the production is stable.This paper is a design for extracting workshop by the annual production of 40,000 tons of citric acid. During designing, I make full use of the equipment and the workshop s

7、pace. I have cooked up many manuals on designing chemical equipment and have calculated carefully to select the equipment strictly. Finally, I will draw an arrangement diagram of equipment in extraction workshop and write a detailed specification for design.KeywordsCitric acid; extract; plant design

8、 10第1章 绪论1.1 概述 柠檬酸（citric acid）又名枸橼酸，学名为2羟基丙烷1，2，3三羧酸，分子式C6H8O7。在自然界中存在于柠檬、柑桔、梅、李子、桃、无花果等水果中。柠檬酸具有无毒、无色、无臭特性，一般为无色半透明晶体或白色粉末，易溶于水、醇、乙腈、乙醚等1。在潮湿的空气中微有潮解性。加热可分解成多种产物，与酸、碱、甘油等发生反应。商品柠檬酸主要是无水柠檬酸(C6H8O7)和一水柠檬酸(C6H8O7·H2O)。一水柠檬酸是由低温(低于36.6)的水溶液中结晶析出，经分离干燥后得到的产品，分子量210.14，熔点7075，密度1.542。放置在干燥的空气中，一水柠

9、檬酸中的结晶水会逸出风化。无水柠檬酸是在高于36.6的水溶液中结晶析出的，分子量192.12，密度1.665。一水柠檬酸转变为无水柠檬酸的临界温度为36.6士0.15。 柠檬酸的分子结构式如下： OH HOOCCH2CCH2COOH COOH图1.1 柠檬酸分子结构式 1.1.1 柠檬酸用途 柠檬酸是目前世界需求量最大的一种有机酸2，极广泛地用作酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂等。在所有有机酸的市场中，柠檬酸市场占有率 70%以上，到目前还没有一种可以取代柠檬酸的酸味剂。一分子结晶水柠檬酸主要用作清凉饮料、果汁、果酱、水果糖和罐头等的酸性调味剂，也可用作食用油的抗氧化剂。同时改善食品的感官性状

10、，增强食欲和促进体内钙、磷物质的消化吸收。无水柠檬酸大量用于固体饮料。柠檬酸的盐类、酯类和衍生物也各具特点，用途极为广泛而有良好的发展前景。柠檬酸的盐类如柠檬酸钙和柠檬酸铁是某些食品中需要添加钙离子和铁离子的强化剂。柠檬酸的酯类如柠檬酸三乙酯可作无毒增塑剂，制造食品包装用塑料薄膜，是饮料和食品行业的酸味剂，防腐剂。作为酸化剂及添加剂，国家标准中并没对其进行限量使用，世界粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）通告的每日允许食用量（ADI）也未对其加以限量使用。由上可见，人们对用柠檬酸处理过的食品无须过分担心。柠檬酸在药物、美容品、化妆品工业上也有着重要的应用。它是香料和饮料的酸化剂，在食品和

11、医学上用作多价螯合剂，同时是化学中间体，用于制造药物，也可用于金属清洁剂、媒染剂等。1.1.2 柠檬酸循环（citric acid cycle) 又称三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle），克雷布斯循环(Krebs cycle)。三羧酸循环是三大营养素（糖类、脂类、氨基酸）的最终代谢通路，又是糖类、脂类、氨基酸代谢联系的枢纽。通过生成的乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成三羧酸（柠檬酸）开始，再通过一系列氧化步骤产生CO2、NADH及FADH2，最后仍生成草酰乙酸进行再循环，从而为细胞提供了降解乙酰基并提供产生能量的基础。由克雷布斯（Krebs）于20世纪30年代最先提出。1.

12、2 柠檬酸发展简史柠檬酸的研究和生产已有300多年的历史。早在1784年，瑞典化学家Scheel首次从柠檬汁中提出柠檬酸并结晶出固体柠檬酸。1838年，由Liebig鉴定出它是一种含有一个羟基的三元酸。随后，在1860年意大利开始从果汁中用添加石灰乳的办法得到柠檬酸，从而进行了工业化生产。天然柠檬酸最初产于美国加利福尼亚州、意大利和西印度群岛。意大利的产量居首位。到1922年，世界柠檬酸的总销售额的90%由美国、英国、法国等垄断。发酵法制取柠檬酸始于19世纪末。1893年C.韦默尔发现青霉（属）菌能积累柠檬酸。1913年，Zahorski首先利用黑曲霉生产柠檬酸。1916年，美国农业部华盛顿化

13、学局微生物研究室主任Thom和同事Currie以曲霉属菌进行试验，证实大多数曲霉菌如泡盛曲霉、米曲霉、温氏曲霉、绿色木霉和黑曲霉都具有产柠檬酸的能力，而黑曲霉的产酸能力更强。如柯里以黑曲霉为供试菌株，在15%蔗糖培养液中发酵，对糖的吸收率达55%。1919年，比利时一家工厂成功地进行了浅盘发酵法生产柠檬酸。1923年，美国Pfizer公司建造了世界上第一家以黑曲霉浅盘发酵法生产柠檬酸的工厂。1938年，Perquin在荷兰发表论文，他将黑曲霉培养于低pH的含硫酸锌、氯化钾和氯化铵的糖溶液中获得了一些柠檬酸，对深层培养法的pH控制，提出了有力的证据。1944年，Szucs应用纯蔗糖，在9d内发酵

14、柠檬酸，可得到92%的产率，但因时间太长，未能投产。1950年前，柠檬酸采用浅盘发酵法生产。1952年，Buelow和Johnson等用150g/L蔗糖培养液通入无菌空气，发现通气量增加，柠檬酸发酵时间可缩短，这对柠檬酸发酵条件控制，有了进一步地认识。1952年，美国Miles公司，首先成功地采用深层发酵法工业化规模生产柠檬酸。此后，深层发酵法逐渐建立起来。深层发酵周期短，产率高，节省劳动力，占地面积小，便于实现仪表控制和连续化，现已成为柠檬酸生产的主要方法。据美国SRI统计，1999年全球柠檬酸的生产能力为87.9万吨，并一直保持比较稳定的发展速度3。中国用发酵法制取柠檬酸以1942年汤腾汉

15、等的报告为最早。1952年陈声等开始用黑曲霉浅盘发酵制取柠檬酸。轻工业部发酵工业科学研究所于1959年完成了200l规模深层发酵制柠檬酸试验，1965年进行了生产100t甜菜糖蜜原料浅盘发酵制取柠檬酸的中间试验，并于1968年投入生产。1966年后，天津市工业微生物研究所、上海市工业微生物研究所相继开展用黑曲霉进行薯干粉原料深层发酵柠檬酸的试验研究，并获得成功，从而确定了中国柠檬酸生产的这一主要工艺路线。薯干粉深层发酵柠檬酸，原料丰富，工艺简单，不需添加营养盐，产率高，是中国独特的先进工艺。中国石油发酵柠檬酸的研究起步较早。1970年，天津、上海、沈阳、常州等地研究单位利用解脂假丝酵母（can

16、dida lipolytica)进行石蜡油（正构烷烃）发酵生产柠檬酸的试验。1979年徐子渊等筛选出一株对氟乙酸敏感的变异株解脂假丝酵母，其乌头酸水合酶的活性很低，柠檬酸的生成比例从原来的50%提高至80%，从而提高了石油发酵柠檬酸的产率。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2.52.8t糖蜜，2.22.3t薯干粉或1.21.3t蔗糖。现在，人们正在大力开发固定化细胞循环生物反应器发酵技术。 1.3 国内柠檬酸形势柠檬酸的生产最初以

17、从柑橘中提取天然柠檬酸为主。1923年，美国菲泽公司建造了全球第一家以黑曲霉浅盘发酵法生产柠檬酸的工厂。此后，发酵法制取柠檬酸逐渐取代了从柑橘中提取天然柠檬酸的方法。目前，全球柠檬酸消耗量约为150万吨，并以年均3%5%的速度递增4。其中，约50%用于饮料工业；食品工业占19%；洗涤剂和肥皂占15%17%；医药和化妆品占7%9%；其他工业用途占6%8%。中国的柠檬酸产业，较早地进入了国际市场，经过多年的技术革新，国内生产的柠檬酸品质大为改变，生产技术水准、原料、能耗和水耗指标都取得了巨大的进步。近年来世界上柠檬酸行业的集约化程度非常高，生产重心已经转移到了中国，我国柠檬酸产量和出口量已经连续多

18、年居世界第一。近年来，我国柠檬酸出口量年均增幅达15%左右。目前，中国的柠檬酸产量大约为100万吨，占世界的65%左右。目前，国内的柠檬酸生产企业主要集中在山东、安徽、江苏。其中，生产规模最大的是潍坊英轩实业有限公司，其年产量已达50万吨，出口多个国家。中国柠檬酸行业特别是经历了近几年的竞争与整合，全行业的面貌大为改观。呈现了持续健康的发展态势。（1） 总产量稳定增加，品种不断延伸，集约化程度大幅提高。据不完全统计，2002年全国柠檬酸总产量突破40万吨；（2） 技术水平不断提高，消耗一降再降，生产成本压缩到新的水平，全面提升了中国柠檬酸的竞争力；（3） 产品品质越来越为企业所重视，较几年前有

19、了很大改善，中国柠檬酸产品的形象逐渐好转；（4） 新技术、新材料、新设备的应用有了很多新的收获；（5） 三废治理技术日渐完善，大多数企业建设了有效的废水处理装置，正常运行并注重实效；（6） 对于新建、扩建项目，逐渐走出盲目发展、重复建设、大起大落的误区。中国加入WTO后，柠檬酸工业继续发展壮大，2002年，柠檬酸出口量为26万吨，柠檬酸钠出口量为2.58万吨，出口总量比上年仍增长3%。中国柠檬酸行业开始走上了持续健康的发展道路。但是与发达国家相比，我国的柠檬酸生产单条生产线的规模还偏小，控制手段一般，企业自动化程度还不是很高，提取工艺和设备水平落后，生产单耗高，收率低，产品质量不高，规模效益差

20、，深度产品开发少，废渣废水污染严重25。这些问题也都制约着我国柠檬酸行业的可持续发展。针对这些问题，国内目前有很多人研究了MgCl2、普鲁兰酶、植酸钠、磷浓度、菌种6、木薯原料7、纤维素糖化液、玉米粉淀粉混合原料、接种量和碳氮比8、溶解氧9、尿素、乙醇等添加剂10、初始含糖量、温度、pH、发酵时间11等等对黑曲霉发酵产酸的影响，也有大量的研究探究了柠檬酸生产废渣栽培平菇12厌氧发酵生产沼气13制取糖化酶等综合利用、废水循环利用和治理14等。1.4 设计规模与深度本设计规模为4万t/年柠檬酸厂提取车间设计。本设计范围属于工艺设计范围，进行工艺流程的设计，并对相关车间、辅助设施提出工艺要求。第2章

21、 柠檬酸生产工艺2.1 工艺流程的设计的原则（1）技术上要先进，生产过程中考虑单机或作业线的机械化、自动化操作，减少繁重的体力劳动，提高劳动生产率，采用成熟的生产技术和设备，使设计厂建成后即可顺利投产，并迅速达到设计能力；（2）经济上要合理，尽量选用标准产品，充分发挥设备生产能力，考虑原材料生产废料的综合利用。达到投资少、成本低、见效快的目的；（3）要因地制宜，考虑设计厂所在地的原料来源，水、电、气的供应，热能和水。 2.2 柠檬酸生产方法的选择15 目前生产柠檬酸的主要方法有水果提取法、化学合成法以及生物发酵法三种。水果提取法是早期制取柠檬酸的方法，是指柠檬酸从柠檬、橙、橘子、苹果等柠檬酸含

22、量较高的水果中提取。此法成本较高，不利于投入工业化生产。化学合成法的原料是丙酮，二氯丙酮或乙烯酮。此法制取柠檬酸的工艺复杂，成本高，安全性低，很少使用。而生物发酵法发酵周期短，产率高，节省劳动力，占地面积小，便于实现仪表控制和连续化，现已成为柠檬酸生产的主要方法。我们国内主要是采用生物发酵法。2.2.1 生物发酵法柠檬酸的生物发酵法有多种发酵工艺，有固体表面发酵法，表面发酵法，深层发酵法，石油烃(正构烷烃)发酵法等等，目前生物发酵法主要采用前三种方法为主。使用的主要原料有薯干、木薯、马铃薯、蜜糖、正烷烃等。还有用玉米、小麦淀粉的水解液，制备葡萄糖的母液等均可生产柠檬酸。无论使用何种微生物，也无

23、论采用哪一种发酵方法，柠檬酸发酵都是好气性的，即柠檬酸发酵是好氧发酵。表面发酵法又称浅层发酵法。它是利用生长在液态培养基表面的微生物的代谢作用，将可发酵性原料转化为柠檬酸。这种工艺出现最早，它在1923年首先由美国Chas.Pfizer公司实现了工业化，至今工业上仍然沿用，主要用于糖蜜原料的发酵。其工艺过程为：将原料先放入煮沸锅内加水煮沸，依次加黄血盐和ETDA二钠盐煮沸灭菌，再用无菌水配成培养基液，加入适量的硫酸铵、磷酸二氢钾作为氮源和营养盐，将培养基液在4550下送入发酵室内装入浅底的铝盘或不锈钢盘中，接入黑曲霉干孢子发酵，过滤掉菌丝后将发酵液中和、酸解、净化、浓缩、结晶等后处理而得柠檬酸

24、。该方法具有设备简单，投资少投产快，操作简单，能耗低，原料粗放，产酸浓度高等优点。但也有占地面积大，劳动强度高，发酵时间长，菌体生成量影响产酸率等缺点。固体发酵法也属浅盘发酵法的一种，是将固体原料与曲霉菌丝体混合，经过微生物的代谢活动，将原料中的可发酵成分转化为柠檬酸。此法虽然较落后，但可利用薯渣等固体原料进行发酵，发酵后的残渣仍可作为饲料。采用固体发酵所用仪器设备简单，投资少，操作简便，原料粗放，发酵时间短，但其占地面积大，劳动强度大，产酸率及提取率低，副产物多。因为该法有一些优点，故有存在的价值。深层发酵法和表面发酵的基本原理相似，只是发酵过程发生在密闭的大型发酵罐内，菌体的生长分散在整个

25、液体介质内。深层发酵的关键设备是发酵罐。发酵罐通常由罐体、搅拌、冷却装置和空气分布器等组成。配制好的发酵原料经灭菌、冷却后，将培养的优育菌种先接种于种子罐，再转移至发酵罐。发酵期间罐内始终通入无菌空气，以增加培养基内的溶解氧，注意控制发酵温度、pH、通气量及搅拌速度，维持菌体的生长。该方法的优点是：发酵体系为均一的液体，传热传质良好；设备占地面积小，生产规模大；发酵速率高，时间短；产酸率高，菌体生成量小，原材料消耗低；便于机械化操作；发酵副产物少，产品得率高，产品质量高等，从而使其成为当今世界生产柠檬酸的最主要的方法。石油烃（正构烷烃）发酵法采用解脂覆膜孢酵母为菌种，以石油为原料发酵生产柠檬酸

26、是基于分解长链烷烃的能力，先通过一端氧化产生长链脂肪酸，诱发子链打开，借-氧化或-氧化作用成为短链脂肪酸，然后进入三羧酸循环产生柠檬酸，反应历程如下：C16H34 + 0.5O2+ H2O C16H32O2 + 2H2C16H32O2 + 16H2O + ATP 8C2H4O2 + 14H2 + AMP + 2Pi3C2H4O2 + H2O C6H8O7 + 3H2 本次设计采用深层发酵法。2.3 工艺条件的确定2.3.1 柠檬酸的生物合成 （1）柠檬酸生产菌种很多微生物都能生产柠檬酸，例如：黑曲霉、棒曲霉、文氏曲霉、泡盛曲霉、芬曲霉、丁烯二酸曲霉、淡黄青霉、桔青霉等，以及假丝酵母属中的一些种

27、。至今世界上消费的柠檬酸主要采用发酵法生产，而最具优势的是黑曲霉和解脂假丝酵母等菌种的深层发酵法。在现代，糖质原料发酵使用黑曲霉，因为它的柠檬酸产量最高，且能利用多样化的碳源。所以本设计拟采用黑曲霉G23-4菌种作为生产用菌种。 （2）柠檬酸生产原料凡是能通过微生物代谢而产生柠檬酸的物质，都可以作为发酵柠檬酸的原料。但从工业成本考虑，多采用廉价符合要求的原料。一般工业选择原料的标准如下：a原料中可利用成分高，抑制柠檬酸生产菌生长和产酸的物质极少。或容易除去，能满足工艺要求。b能就近取材，原料来源丰富，便于采购、运输、适于大量储存，保证生产上的供应。c原料成分对产品的提取、精制无影响。d价格便宜

28、。所以我们按实际需要，本次设计将以玉米作为生产用原料。表2.1 整粒玉米的化学成分（%）（干物质）化学成分蛋白质淀粉糖脂肪纤维素灰分范围6513.271.673.41.052.823.66.51.52.511.042.07平均值9.6721.584.91.921.56 （3）柠檬酸发酵机理黑曲霉属半知菌纲，一般只进行无性繁殖，由孢子发芽开始到新的孢子形成，为一个生活周期。黑曲霉利用糖类发酵生成柠檬酸，其生物合成途径普遍认为是：葡萄糖经过酵解途径（EMP)和HMP途径转变为丙酮酸，丙酮酸一方面氧化脱羧生成乙酰辅酶A，另一方面经二氧化碳固定反应生成草酰乙酸，草酰乙酸与CoA在柠檬酸合成酶的作用下产

29、生柠檬酸1617。黑曲霉在限制氮源和锰等金属离子的条件下，同时在高浓度的葡萄糖和充分供氧的条件下，TCA循环中的-酮戊二酸脱氢酶受到阻遏，TCA循环变成“马蹄形”，代谢流汇集于柠檬酸处，使柠檬酸大量积累并且排出菌体外。2.3.2 糖化工艺采用淀粉质原料生产柠檬酸，黑曲霉不能直接利用玉米。只能将其糊化、糖化为葡萄糖，方能供发酵生产用。 （1）液化的方法及选择 酸法：以强酸为催化剂，高温、高压条件下进行，液化程度较难掌握。机械液化：破坏淀粉颗粒表面和结晶结构。酶法：用-淀粉酶，在中性溶液，常温、常压条件下进行，液化程度容易掌握。此法适应于柠檬酸工业。其方法按工艺条件分：间歇液化法（直接升温液化法）

30、、半连续液化法（高温液化法）、连续液化法 （喷射液化法）；按设备条件分：罐式、管式、喷射式；按加酶方式分：一次、二次、三次加酶多段液化工艺。本设计拟采用连续液化法。 （2）柠檬酸的喷射液化工艺喷射液化喷射液化是在喷射器中进行瞬间液化，高压蒸汽通过喷嘴，使喷射器的内腔形成真空，混有-淀粉酶的淀粉乳，在此力的引吸下，呈薄膜状进入喷射器内腔，随即与蒸汽混合形成湍流，料温骤升至100120，瞬间完成了糊化、液化，淀粉糊粘度迅速下降，形成的流体从喷射器下部出料口排至保温系统，恒温90维持3060分钟，达到需要的液化温度。此法的优点是液化均匀完全、已切断的淀粉连不易重新聚合、蛋白质类杂质凝固好，过滤性能佳、设备体积小、可连续化操纵，喷射液化最适合用耐高