年产1万吨柠檬酸的工艺设计毕业设计论文

黄石理工学院毕业论文绪论1.1柠檬酸的理化性质柠檬酸是无色半透明晶体或白色结晶性粉末，无臭，有强烈的令人愉快的酸味，其在温暖空气中渐渐风化，在潮湿空气中有潮解性。根据结晶条件不同，它的结晶形态有无水柠檬酸和含结晶水柠檬酸。商品柠檬酸主要是无水柠檬酸(C6H8O7)和异柠檬酸(C6H8O7·H2O)。异柠檬酸由低温(低于36.6℃)的水溶液中结晶析出，经分离干燥后的产品，分子量210.14，熔点70—75℃，密度1.542。放置在干燥的空气中，异柠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。异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(citricacid)，学名2-羟基丙烷三羧酸，分子式C6H8O7。为无色透明斜方晶系晶体颗粒，或白色结晶性粉末。无臭，有很强的酸味，味阈值为0.0025%。在温暖的空气中渐渐风化，在潮湿空气中微有潮解性。柠檬酸易溶于水，能溶于乙醇，而不溶于乙醚、氯仿、苯、CS2、CCl4及脂肪酸。柠檬酸的分子结构式如图1-1。HCHC－COOHHO－HC－COOHCH2－COOH异柠檬酸HO－C－COOHCH2－COOHCH2－COOH柠檬酸 图1-1柠檬酸的分子结构式1.2柠檬酸的用途1.2.1柠檬酸在食品工业上的应用柠檬酸被人们称为第一食用酸味剂，在食品工业上被广泛地用作酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂、鳌合剂等，其具体用途不胜枚举。它常用在饮料、果酱与果冻、糖果、冷冻食品、酿造酒、酸奶、脂肪和油、腌制品、罐头食品和水果加工、豆制品和调味品等诸多领域。1.2.2柠檬酸在药物、美容品、化妆品上的应用柠檬酸普遍应用于各种营养口服液，缓冲pH=3.5~4.5，维持活性配料的稳定性，加强防腐剂的效果。柠檬酸糖浆是发热糖浆是必热痛不欲生用清凉饮料，具有矫味、清凉、解毒的功效。柠檬酸与水果香精和用，可赋予人们喜爱的香酸口感以掩盖药物的苦味，尤其是重要制剂，在液态配料中加入0.02%的柠檬酸可形成微量铁和铜的络合物，延缓活性配料的降解作用。在配制发蜡过程中用柠檬酸调节pH，在抗氧化剂体系中，作为金属离子鳌合剂，都需要柠檬酸作为标准配料。1.2.3柠檬酸在工业上的应用以柠檬酸为基础的金属净化配方，能有效地去除黑色金属和有色金属的表面形成的氧化物。柠檬酸是高效鳌合清洗剂，对钙、镁、铁、铬、铜等污垢有效，广泛用于各种金属表面的清洗，洗后废水可生物降解不污染环境。柠檬酸钠能增加去污性能，在许多家用去垢剂产品中可加快生物降解，可作为磷酸盐的代用品，大量应用于洗衣粉、去垢剂之中，柠檬酸钠与铝硅酸盐一起增强洗净剂的清洁作用是很有效的。另外柠檬酸还可应用于电镀，纺织品，胶粘剂，石油井去除铁拴，治理工业废气、废水、回收金属等方面。1.2.4柠檬酸盐类、柠檬酸脂类的用途柠檬酸盐类用于补充相应的元素时，具有溶解度高、生理宽容性大、酸根可直接被人体或动物体吸收代谢而无积留等优点。柠檬酸亚铁和柠檬酸铁是补铁剂，对机体的缺铁性贫血或出血后贫血有特殊的疗效，而且无收敛或刺激副作用，不会扰乱消化道的功能。柠檬酸钠注射时与钾盐一样，用于校正血、体液、尿液的酸度。柠檬酸钠是著名的抗凝血剂广泛应用于输血、血液和血浆保存以及制造人造代血浆和血制品加工工艺。柠檬酸镁、柠檬酸铜、柠檬酸镍等在工业和药品等方面都有广泛的用途。柠檬酸三甲酯是柠檬酸和甲醇酯化而成，溶解力强，耐油性和耐光性好，特别适用于涂料。乙酰柠檬酸三乙酯是无色油状液体可用于制作食品包装材料。柠檬酸的其他酯类在工业和食品等方面也有诸多应用。1.3柠檬酸的生产方法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。国内生产柠檬酸的厂家主要有安徽丰原生化股份有限公司、江苏无锡罗氏中亚柠檬酸有限公司、安徽华源生物药业有限公司、湖北黄石兴华生化有限公司等近10家大型企业。年生产能力约为50万吨，大部分企业使用的是生物发酵法。1.3.1水果提取法水果提取法是早期制取柠檬酸的方法，在发酵法未出现之前，持续了大约50年的时间。柠檬酸可以从柠檬、橙、橘子、苹果等柠檬酸含量较高的水果中提取。该法是从未成熟的柠檬、柑橘等水果中压榨出果汁，然后和石灰乳混合，生成柠檬酸钙沉淀，再用硫酸处理，得到不含杂质的柠檬酸溶液。盐溶液经浓缩结晶即可得出柠檬酸产品。当今，水果的生产已经产业化，水果产量也随之增加，并且比较集中，在考虑生态果园和综合利用时，可以利用这种方法来提取柠檬酸。此法成本较高，不利于投入工业化生产。1.3.2化学合成法化学合成法使用的原料是丙酮，二氯丙酮或乙烯酮。以二氯丙酮为原料的技术路线如图1-2所示。CCCl－CH2OHCl－CH2COOHCCl－CH2OHCl－CH2CNC=OCl－CH2Cl－CH2＋HCN＋H2O－NH3CNC－CH2OHNC－CH2COOHCHOOC－CH2OHHOOC－CH2COOH＋HCN－2HCl＋4H2O－NH3图1-2用化学合成法制备柠檬酸的技术路线此法制取柠檬酸的工艺复杂，成本高，安全性低，很少使用。1.3.3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。还有用玉米的，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。①表面发酵法，此法又称浅层发酵法。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45~50℃下送入发酵室内装入浅底的铝盘或不锈钢盘中，干孢子接入黑曲霉干孢，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。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。②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。③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。④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β-氧化或ω-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+3H21.4我国柠檬酸工业的发展历程1.4.1菌种选育屡结硕果优良的菌种对柠檬酸发酵起着决定性的作用，我国在菌种选育方面的研究非常活跃，近二十年来不断有新的菌种面世，使我国的柠檬酸发酵达到世界先进水平，对总糖转化率最高已达97.28%。20世纪70年代，上海工微所以酒精生产上所用的固体曲菌种宇佐美曲霉为出发菌，经60Co-γ射线及氮芥诱变处理，以薯干为原料进行柠檬酸菌种筛选，获得我国第一代柠檬酸生产菌——宇佐美曲霉N558，N558产酸水平6～7%，转化率70～80%，周期120小时。采用在筛选平板培养基之中添加10%柠檬酸的方法，从土壤中筛选出野生黑曲霉628，经60Co-γ射线8～10万伦辐射之后，通过常规的变色平板即在平板之中加入0.04%的溴酚蓝，采用比较显色圈和菌落的直径等方法，选育出了黑曲霉D353，此菌种发酵产酸8～9%，转化率80～90%，周期96～120小时。朱享政等为了将3008用于葡萄糖母液发酵，又进行了连续诱变，即用硫酸二乙酯（EDS）处理后再经Co60-γ射线辐照，根据柠檬酸高产菌株不产孢子和菌球较小的经验，筛选出了Co827菌种。Co827是我国柠檬酸发酵史上最重要的菌种之一，一直沿用至今，发酵产酸13%～14%，转化率95%以上，发酵周期64小时。1.4.2因地制宜调整原料结构目前工业上使用的原料主要有以下几种：薯类：甘薯、木薯、马铃薯、甘薯干、木薯干、马铃薯干、薯渣谷类：玉米、小麦或小麦面粉、大米淀粉：各种谷类、薯类等加工成的淀粉糖类：蔗糖、甜菜糖及其糖蜜，由淀粉水解而得到的各种单糖、双糖1.4.3装备情况大为改观设备趋于大型化、连续化、自动化。最大的喷环式好氧发酵罐的容积已达400m3，各种形式的带式过滤机已广泛应用，多效蒸发、连续结晶设备已实现国产化。工艺控制水平大幅提高，多数工厂已建立了自动化监控系统和完善的计量网络。1.4.4提取工艺取得突破性进展传统的钙盐提取法，劳动强度大，消耗大量的化学品，并产生大量的硫酸钙废渣，对环境造成污染，收率低，影响产品质量，形成巨大的成本开支，制约了柠檬酸行业的发展。取代钙盐法的柠檬酸提取新工艺已取得初步成功。中科院生态环境研究中心秦涛等研究成功了连续色谱离交工艺，1998年在安徽皁阳制药厂建成了2000吨/年生产线。2总体工艺方案2.1引言目前，在国内外柠檬酸生产技术路线中液体深层发酵、钙盐提取技术仍是柠檬酸工业生产中的主导工艺路线。随着生物工程及其下游技术的发展，精料、高糖发酵正成为柠檬酸发酵工艺的发展趋势，萃取工艺及色谱(树脂)分离技术也在柠檬酸提取精制工艺中得到进一步的研究和发展。就目前柠檬酸发酵技术情况看，以玉米为原料的柠檬酸精料发酵已在国内得到较广泛的应用。玉米原料经初步的脱胚后，磨粉液化制成发酵精料，使后续产品回收率提高近5个百分点，同时为精料高糖发酵打下了较好的开发基础。另一方面，玉米处理的糖渣及胚芽等副产品收入又降低了玉米原料的成本。在本设计中，原料处理及发酵工艺的确定，既要结合当地原料特性，也要考虑甲方已有的技术实力，使其生产技术路线不仅适应以薯干为原料的生产需要，也满足以玉米作为精制原料生产的要求。因而采用了玉米干法脱胚粉碎或薯干直接粉碎调浆、液化(玉米液化浆)压滤、低压连续喷射灭菌，液体深层发酵的工艺路线。在提取精制工艺方面，溶媒法生产工艺因其生产技术、溶媒回收、生产成本、产品质量及产品的市场接受关念等多方因素，一直未形成大的工业生产方式，而色谱(树脂)分离技术却有一定发展。从MESSO公司与美国ASTU公司对中国柠檬酸工程的技术报价资料看，利用ReillexHP树脂，采用ISEP连续法分离柠檬酸，在产品达标的情况下，具有生产成本低、三废排放少、生产过程简化等优势，但该装置对醪液中的残糖、胶体、蛋白质等有机杂质及阴阳离子等有一定限制，对柠檬酸发酵醪液特性及预处理工艺有较高要求，其“可操作性必需通过现场使用原始发酵醪液试验后，方可得到证实。”由于上述原因，并结合本设计多方面的具体情况，本着工艺合理先进的原则,在本工程提取工艺中仍确定采用钙盐提取的总体工艺方案。且在中和工艺上,结合原料特点、水资源状况、污水排量及产品收率等情况,在考虑机械输送、负压除尘、螺旋无级变频投料的前提下选用干法中和工艺。在后续工序上则以目前国内外普遍采用的离交纯化、蒸发结晶、分离干燥为其基本工艺过程。在生产过程的自动控制方面，以经济可靠为原则，利用医用抗生素大型发酵系统微机控制技术，结合行业特点，重点对发酵温度、PH值、罐压、通风量及机械运行状况实施微机监控管理；对蒸发结晶系统的蒸汽流量、罐温、罐压(真空度)、物料回流量等实行自动控制，从而使工程整体技术装备从硬件到软件，都上升到一个新的技术水平。综上所述，在本设计中，“工艺合理、成熟，设备先进、适用，投资成本低”是我们确定生产技术方案中应当遵循的最基本原则。根据这一原则，确定本设计在原料处理以后的工艺流程如图2-1所示。图2-1柠檬酸的生产工艺流程图由图2-1可见，其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及净化压缩空气进行发酵；——发酵液经升温、过滤处理后，进入中和罐加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，再加H2SO4酸解，并加入活性炭脱色；——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。2.2原料及其处理2.2.1原料目前，国内外生产柠檬酸的基本原料分为两类：淀粉类与糖蜜类。关于淀粉类原料，过去，我国长期仅仅使用各种薯干，如：马铃薯、甘薯、木薯等，技术比较成熟。此次1万吨／年柠檬酸项目的工艺设计拟以薯干作为主要原料。2.2.2原料的处理在本设计中，对原料的基本处理工艺方法是：采用薯干直接粉碎调浆、液化、(玉米液化浆)压滤。结合一些实际条件，原料的处理由备料车间来完成。①原料的运输与贮存薯干原料，由汽车运至厂区，经过计量后，按包装形式的不同(袋装或散装)，暂存于平仓中。存于平仓中的薯干,采用平仓散装(或者袋装)贮存输送设备，输送到备料车间内。②原料的处理根据发酵的要求，对两种不同的原料分别处理：——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，同时加入一淀粉酶升温液化。液化完成后送至连消装置连续灭菌，再送至发酵车间。2.3发酵及醪液处理工艺2.3.1工艺与工程根据总体工艺技术路线，采用好气液体深层发酵技术生产柠檬酸，成熟醪经处理过滤后，为后续工艺提供符合要求的清洁醪液。设计由发酵车间来完成发酵工艺，压滤车间完成醪液处理工艺。2.3.2流程简介发酵及醪液处理工艺流程，见图2-2。图2-2柠檬酸液体深层发酵及醪液过滤工艺流程现在结合图2-2，对发酵及醪液处理工艺的基本过程作一简介。2.3.3发酵工序由备料车间提供的经连续灭菌并冷却的料液，通过灭菌管道泵入已空消灭菌待料的发酵罐(或种子罐)，通过差压法或零磅火焰倒种法，接入已培养好的柠檬酸菌种，在通风、搅拌情况下，进行发酵或培养。在发酵培养过程中，对罐温、罐压、通风量、搅拌转速等实行连续记录监控，并定期检测原糖消耗情况、菌种生长状态、ph值、泡沫等变化情况。根据发酵的工艺特性要求，及时调整控制发酵工艺过程，以获得最佳工艺产酸率或种罐菌种活力，一般经65小时(种罐约28小时)培养，大罐在残糖指标、产酸情况达到放罐条件即可放罐：种罐菌种活力及菌群数量达标后，即可移种。在发酵或培种过程的定期检测中，若发现异常情况，如染菌等，应针对具体情况及时处理，对中、前期染菌，可加大种量形成主菌群生长优势，或及时罐实消，补入适当营养源重新接种发酵；后期时可加强监控，提前放罐；对倒罐等应予灭菌排放处理，并认真查找原因，进一步强化灭菌操作中的各个环节。2.3.4醪液处理工序柠檬酸发酵完成后，应即时进行热处理，以灭活发酵，絮凝蛋白、提高收率，本工艺中为提高设备利用率，增设醪液贮罐，通过热交换器，及时将醪液加热至80℃后进入醪液热贮罐，再经泵压入过滤机，除掉固形物及菌体残渣，将清醪液泵入下道工序。2.4粗提与精制工艺2.4.1工艺与工程根据总体工艺方案，确定本工序的生产方法为：钙盐干法提取工艺，即柠檬酸清醪液经CaCO3，干法中和、带式过滤机过滤、浓硫酸酸解、离交纯化、连续蒸发结晶、离心干燥工艺。这些工艺合起来统称为粗提与精制工艺。提取工段所要完成的工艺是：中和及其过滤，酸解及其过滤；精制工段所要完成的工艺是：离子交换、脱色、蒸发、浓缩、结晶、干燥及包装。2.4.2流程图简介粗提、精制的工艺流程分别见图2-3与图2-4图2-3柠檬酸提取工艺流程2.4.3提取工段见图2-3。由压滤工段送来的柠檬酸清醪液泵人中和罐，在80℃下进行中和。碳酸钙经密闭的输送机送入车间，经无级调速下料螺旋分散投入中和罐，以防止局部浓度过高，使中和沉淀反应均匀，经终点检测合格后，将柠檬酸钙悬浮液排入带式过滤机中，将固体柠檬酸钙从悬浮液中分离出来，为满足玉米原料及薯干原料生产工艺的双重要求，中和带式过滤机用特定的加长、强洗型，生产原料操作灵活，以确保粗原料生产时的中和洗糖要求及成品易碳的指标控制，要求并使中和废水经分流至污水处理站。分离后的柠檬酸钙经卸料螺旋送至酸解桶中，由热水或酸解液调浆，浓硫酸由酸碱站泵入，再计量到酸碱桶中与柠檬酸钙在80℃下生成硫酸钙与柠檬酸的悬浊液送入酸解带式过滤机进行过滤，清洗液即稀酸解液收集用于调浆，硫酸钙运至渣场综合利用，柠檬酸酸解送精制工段。2.4.4精制工段图2-4柠檬酸精制成品工艺流程——离子交换与脱色柠檬酸液从暂贮灌中泵送离交纯化工序，经由阳离于交换塔，阴离子交换塔和活性炭脱色塔，离交脱色除去色泽及影响成品质量加速设备腐蚀的阴阳离子，阴阳树脂需经过酸洗、碱洗再生处理，离交后的柠檬酸精制母液送入蒸发工序。——蒸发与结晶在提纯溶液进入蒸发部分前，通过精过滤器除去清液中的微小树脂颗粒。精滤后的溶液经热交换器预热后送至双效真空浓缩器经浓缩至特定浓度后，转入真空结晶器，或者低温结晶器进行结晶。以确定产品(一水产品或无水产品)，再经分离将柠檬酸晶粒从液相中分离出来，液相(母液)在分离后分别放至各级母液贮罐，根据其杂质离交浓度情况，送往重新蒸发式回流到前工序处理提纯，晶体送往干燥机。——干燥与包装从离心机分离出来的湿柠檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根据生产品种控制干燥空气、温度及冷却空气量进行干燥，排空经湿式旋风分离器处理排放，干燥后的柠檬酸晶粒通过传送装置运到筛选机，不合格颗粒被筛分出来，溶解后返回到结晶系统，柠檬酸成品进行定量、包装，存放。2.4.5设备选型中和工序过滤设备，是控制本工序工艺成品质量及设备连续化、大型化的关键所在。目前国内小型生产厂家，多采用生产劳动强度大、占地大、间隔式的抽滤捅式过滤翻盘，少数中大型厂引进了转鼓式真空带式过滤机。结合我院在柠檬酸中和过滤技术上的经验，对薯干原料工艺的中和过滤设备进行了改造，对现有国产DI型带式过滤机提出其特定的技术定货要求，用加长、强制洗涤型机组，即可达到成品质量的易碳精制要求，又可使设备实现连续化、大型化，使本工序整体技术水平接近国际先进水平，在离交工序上，采用国产离交设备硬件，并在可能的情况下可考虑引进国际先进的阴离子交换树脂，以进一步提高后续设备的整体选型及技术装备水平。目前各类连续蒸发结晶设备在我国轻工、化工已有广泛应用，但在我国柠檬酸行业多数连续式蒸发结晶设备均为引进生产成套设施，多数中小型企业仍在采用外环式石墨蒸发器。本工程拟采用连续蒸发结晶设备，并建议本期工程引进国外先进的蒸发结晶设备，使本期工程达到国际先进水平。2.5工程设计方案根据上述基本工艺流程，确定本项目的工程设计方案如下。2.5.1全厂项目组成——主要生产工程：备料车间、发酵车间、压滤车间、粗提与精制车间；——辅助生产工程：玉米筒仓、原料平仓、成品仓库、滤饼干燥及仓库、碳酸钙仓库、酸碱站、地泵房、水泵房(含清水池及循环水池)；——公用工程：变配电站、空压站、冷冻站、污水处理站、蒸汽减压系统、循环水系统、给排水系统、锅炉房、机修间；——厂区工程：总图工程(厂区排水、道路、照明、绿化、门房、围墙、外管外线等)；——其他工程：综合办公楼、科研办公楼、汽车库、办公室、浴池。2.5.2产品质量标准产品质量符合英国药典BP93标准，根据需要可以达到美国USP23版，和中国GB8269／T--1998标准的要求。3发酵罐的工艺设计3.1物料衡算3.1.1日产量的计算假设每年生产天数为300天，则每天生产的柠檬酸量为10000/300=33.4t3.1.2原料消耗计算①薯干原料消耗计算薯干原料含淀粉65%，水分13%淀粉原料生产柠檬酸的总化学方程式为糖化：()n+n→n)16218180发酵：2+3→2+4180*296*319272*4则产生1000kg柠檬酸需要的淀粉量为：1000=844kg总原料消耗为：=12985t每天原料消耗：12985/300=43.3t②α-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，α-淀粉酶用量按8u/g原料计算，酶用量为：=5.194kg3.1.3糖化酶的消耗设所用糖化酶的活力为2000u/g，使用量为150u/g原料，则糖化酶消耗量为：=97.39kg3.1.4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例为1：3，故粉浆量为：12985（1+3）=5194kg假定用罐式连续蒸煮工艺，混合后粉浆温度为50,应用喷射液化器使粉浆迅速升温至88，然后进入罐式连续液化器液化，，在经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，薯干干物质含量为87%，则其比热容为：c=4.18（1-0.787%）=1.63KJ/(kg·k)粉浆干物质浓度为：B=87/（4×100）=21.8%蒸煮醪比热容为：c=Bc+（1.0-B）=21.8%×1.63+（1-21.8%）×4.18=3.62[KJ/(kg·K)]为水的比热容[KJ/(kg·K)]假设蒸煮醪的比热容在整个蒸煮过程中维持不变，则经喷射液化器加热后蒸煮醪量为：5194+=5494.1×Kg其中，2748.9为经喷射液化器加热加热蒸汽的焓kJ/K经第二液化维持罐出来的蒸煮醪量为：5494.1×-=5224.7×Kg其中，2288.3为第二液化维持罐的温度为84下饱和蒸汽的汽化潜热（kJ/K）经喷射混合加热器后的蒸煮醪量为：5224.7×+=5483.2×Kg其中，115为灭酶温度。经器液分离后的蒸煮醪量为：5483.2×-=5773.7×Kg其中，2245为104.3下饱和蒸汽的汽化潜热kJ/K。经真空冷却器后最终蒸煮醪量为：5773.7×-=5406.5×Kg其中，2352为真空冷却温度为63下的饱和蒸汽的汽化潜热kJ/K3.2工艺计算3.2.1发酵容积的确定随着科学的发展，生产发酵罐的厂家越来越多，现在有的发酵罐容量系列如5，10，20，50，60，75，100，200，500等等。一般来说单罐容量越大，经济性能越好，但风险也越大，要求技术管理水平也越高。本设计由于产量大，采用50规格罐体。3.2.2生产能力的计算现在每天生产33.4t柠檬酸，柠檬酸的发酵周期为55h（包括发酵罐的清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间）。每天需消耗薯干43.3t，每天需要料液量为43.3100/22=196.8t设料液密度，则每天需料液体积为设发酵罐的填充系数为=0.75,则每天需要发酵罐的总容积为3.2.3发酵罐个数的确定查表！知公称容量为20的发酵罐，总容积为22.6，则(个)式中:=设备的操作台数（不含备用）=装料高度系数=设备的每一个操作周期（h）=罐的全体积=每天需要发酵罐的总容积故取公称容积20发酵罐27个3.2.4发酵罐几何尺寸的确定:标准式发酵罐的筒体高度和直径比:D<1.2m时，一般1.75~2D>1.2m时，2~3确定发酵罐直径和高度发酵罐的容量一般指圆筒体的体积加椭园形底的体积。===≈(H=2D)式中:=发酵罐公称容量=筒体体积=椭园底体积h1=椭园直边高度m可以近似按下式计算:=∴=+取H=2D则=+=D==选D=2.6m则H=2D=5.2m3.3冷却面积的计算为了发酵在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境气温最高时也能冷却下来，必须按发酵热高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下，设计了冷却面积。计算冷却面积使用牛顿转热定律公式，即：发酵过程的热量计算有很多方法，但在工程计算时更可靠的方法，仍然是实际测得的每1发酵液在每小时传给冷却器的最大热量；对柠檬酸的发酵，每1发酵液在每小时传给冷却器的最大热量大约为3.826000kJ/（）。本设计采用竖式列管换热器，取经验值K=4.18500kJ/（）。平均温差：3838℃38℃代入℃对公称容量20的发酵罐，平均每天27罐，每罐实际用量为（）换热面积为（）3.3.1搅拌器的设计机械搅拌通风发酵罐有三种型式，可根据发酵特点、基质及菌体特性选用。由于柠檬发酵有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶机械搅拌器。该搅拌器的各部件尺寸与罐径D有一定的比例关系，现将主要尺寸进行计算搅拌叶径取叶宽弧长底距盘径叶弦长叶距弯叶板厚取两档搅拌，搅拌转速可根据20罐，搅拌直径为0.77m，转速，以等为基准放大求得：（）（1）计算式中——搅拌器直径，=0.87mN——搅拌器转速，——醪液密度，——醪液沾度，将数据代入上述式子：，视为湍流，则搅拌功率准数（2）计算不通气时的搅拌轴功率：式中——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7N——搅拌转速，——搅拌器直径，——醪液密度，代入上式得两档搅拌（3）计算不通气时的搅拌轴功率：式中——不通风时搅拌轴功率（KW）——轴转速，——将搅拌直径cm，——通风量ml/min，设通风比为vvm=0.11~0.18，取低限，如通风量变大，会小，为安全。取0.13；则代入上式：（4）求电机功率:采用三角带传动；滚动轴承；滑动轴承；端面密封增加的功率为1%；代入公式数值得：3.3.2设备结构的布置方案（1）空气分布器对于好气发酵罐，分布器主要有两种形式，即：多孔（管）式和单管式。本设计采用通风量大的发酵罐，则使用单管进风，由于进风速度高，又有涡轮板，叶轮打碎、溶氧没有问题（2）挡板挡板作用是加强搅拌强度，促进液体上下翻动和控制流型，防止产生涡旋而降低混合与溶氧效果，本罐由于采用蛇管冷却，可减少泡沫，可将挡板上沿略低于正常液面，利用搅拌在液面上形成的涡旋消泡，故可本罐可不设挡板。（3）密封方式随着技术的进步，机械密封已在发酵行业普遍采用，本罐采用双面机械密封方式，处理罐与轴的动静问题。3.3.3冷却管的布置由于本罐体积较大，用夹套装置冷却，比表面积小，冷却效果差，不能满足生产要求，应采用管式冷却方式，但列式罐容易清洗，但耗水量大，现在大多采用蛇形管冷却方式，但清洗困难，综合各方面因素，本罐采用蛇形管冷却。求最高热负荷下的耗水量W：式中——每立方米醪液在发酵最旺盛时，一小时发热量与醪液总体积的乘积：=——冷却水比热容，——冷却水终温，℃——冷却水初温，℃将各值代入上式冷却水体积流量为，取冷却管在竖直蛇管中流速为，根据流体力学方程，冷却管总截面积为：=式中W——冷却水体积流量，——冷却水流速，=代入上式：进水总管直径=0.138m（2）冷却管组数和管径设冷却管总表面积，管径，组数为n，则：竖直蛇管的组数n，根据罐的大小一般选取3，4，6，8，12……组等，通常每组管不超过6圈；管子与罐壁的最小距离应大于100mm，主要考虑便于安装、清洗和良好的换传热。现根据本罐情况，取n=8，求管径。由上式得；查金属材料表选取633.5无缝管，，，认为可满足要求，。现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度：（3）冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积；现取无缝钢管633.5，每米长冷却面积为，则：冷却管占有的体积（4）每组管长和管组高度另需连接管8m：m可排竖直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm。设发酵罐内附件占有体积为0.5，则：总占有体积为=7.3+0.112+0.5=7.91（5）每组管子的圈数现取管间距为2.5=,竖蛇管与罐壁最小距离为0.15m，，则计算出与搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）（6）校核布置后冷却管的实际传热面积而前有，＞F，可满足要求。4环境保护和安全生产4.1环境保护环境是人类赖以生存与发展的终极物质来源，同时还承受着人类活动所产生的废弃物的种种作用。对废气、废水与废渣的控制和治理，必须从生产的源头上控制和预防，从产品的开发、工程设计和生产的等方面统筹考虑。三废的控制应按照减少污染源、排放物循环、排放物的治理和排放等四个优先级考虑。4.1.1废气处理ISO对空气污染定义为：通常指由于人类活动和自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此而危害了人体健康、舒适感或环境。此设计废气：中和锅CO2的排放和酸解锅SO2的排放4.1.2废水处理废水处理的一些基础方法有：隔油法；气浮法；沉淀法；好氧生物处理；厌痒生物处理。此设计废水：废水按含盐量的高低分为废糖水、离交废水和极少数酸解板框拆洗滤布废水。地面冲洗水全部进入离交废水池。4.1.3废渣处理此设计废渣：石膏、使用后的助滤剂，出售。4.2安全生产由于化工生产的特点决定了它具有很大的危险性。据统计，在工业企业发生的爆炸事故中，化工企业占三分之一。随着生产技术的发展和生产规模的大型化，安全生产已成为社会十分关注的问题。因为一旦发生火灾和爆炸事故，不但导致生产停止，造成生产链中断，使生产力下降，而且还会造成人身伤亡，产生无法估量的损失和难以挽回的影响。化工生产中的事故主要是中毒、火灾和爆炸。参考文献[1].周开翔．我国柠檬酸生产技术的现状、问题与对策(上)武汉轻工设计，1998[2].周开翔．我国柠檬酸生产技术的现状、问题与对策(下)．武汉轻工设计，1998[3].于春梅，满俊．世界柠檬酸生产概况及市场展望．现代化工，2000，No．11[4].尤新．玉米深加工技术，中国轻工业出版社，1999[5].国内柠檬酸“阴转多云”．市场报，2O02，4，29[6].沈自法、唐孝宣.发醉工厂工艺与计算.华东理工大学出版社1994[7].华南工学院等.发酵工程与设备.轻工业出版社,1981[8].上海第三制药厂等.杭菌素生产.化工出版社,1979[9].复旦大学等.微生物工程（上册）上海人民出版社,1976[10].单熙滨.制药工程.北京医科大学北京协和医科大学联合出版社,1994[11].华东化工学院等合编.杭生素生产工艺学.化学工业出版社[12].王博彦,金其荣.发酵有机酸生产与应用手册[M].北京:中国轻工业出版社,2000[13].郝素娥.食品添加剂制备与应用技术[M].北京:化学工业出版社,2003,61-63[14].李炎.食品添加剂制备工艺[M].广州:广东科技出版社,2001,85-91[15].吴金鹏.食品微生物学[M].北京:中国农业出版社[M],1990,235-240[16].颜方贵.发酵微生物学[M].北京:中国农业大学出版社,1991[17].江汉湖.食品微生物学[M].北京:中国农业出版社,2001[18].郑建光,李忠杰等.柠檬酸生产工艺技术及进展[J].河北化工,2006(8):20-21[19].陈阅增.普通微生物学[M].北京:高等教育出版社,1997[20].武汉大学,复旦大学合编.微生物学[M].北京:高等教育出版社,1987[21].沈同,王镜岩.生物化学[M].北京:高等教育出版社,1991[22].朱亨政.柠檬酸发酵的生物化学机制[J].工业微生物,1981(3):47-49[23].姚汝华.微生物工程工艺原理[M].华南理工大学出版社,2005[24].颜方贵.发酵微生物学[M].北京:中国农业大学出版社,1991[25].江汉湖.食品微生物学[M].北京:中国农业出版社,2001[26].周婉冰.微生物发酵生理学[M].广州:华南理工大学出版社,1989:257-273[27].朱亨政.柠檬酸发酵[J].食品与发酵工业,1994(6):72[28].中国化工信息中心.中国化学工业年鉴.1998/1999(40)致谢———毕业设计心得体会从本次设计的目的看来，它是今后工作的一次模拟训练，对自己的专业知识以及相关学科知识进行了一次全面的大检查。从本次的毕业设计的资料准备阶段，到文档的排版和公式的编辑，直至最后的打印等一系列工作中，我遇到了很多困难。真正的感觉到书到用时方恨少。自己的知识还远远不足以运用。无论是计算机的排版，还是在资料的收集和整理上看来，都有一定的难度。通过这次毕业设计，让我的专业知识和相关的系统知识得到很大的提高，特别是作图方面，无论是ＣＡＤ还是手工图都得到进一步的提高。使我在今后的学习道路上能有一个法，设计步骤。进而从心的领略柠檬酸在现实生活中的重要性。这次是我的第一次搞工艺设计，因各方面的知识有限，难免有错漏出现之处，希望老师和同学们都忙指正，本人在这里不胜感激。以示致谢！我在此在次衷心的感谢孜孜教导我的各位老师和领导。特谢夏贤友老师对我毕业设计的耐心指导，为我提供资料与督导。本文是在夏贤友老师的悉心指导下完成的。夏贤友老师严谨求实、精益求精的治学态度、渊博的学识、活跃的学术思想、对事业执着的追求以及敢于挑战的创新精神始终激励着我在科学的征途上不断探索，成为我学习的楷模。尤其是在四年的大学生涯中，夏老师辛勤地指导我的论文选题和设计方案设计，在论文的最后写作阶段，夏老师提出了许多宝贵的意见，并对论文进行了详细的审阅和修改。在此，特向夏老师表示崇高的敬意，衷心地感谢对我的栽培和指导。

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

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作者签名:二〇一〇年九月二十日

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作者签名:二〇一〇年九月二十日

基本要求：写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析，解决实际问题的能力，使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识，基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法，对所研究的题目有一定的心得体会，论文题目的范围不宜过宽，一般选择本学科某一重要问题的一个侧面。毕业论文的基本教学要求是：1、培养学生综合运用、巩固与扩展所学的基础理论和专业知识，培养学生独立分析、解决实际问题能力、培养学生处理数据和信息的能力。2、培养学生正确的理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度。3、培养学生进行社会调查研究；文献资料收集、阅读和整理、使用；提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。毕业论文是毕业生总结性的独立作业，是学生运用在校学习的基本知识和基础理论，去分析、解决一两个实际问题的实践锻炼过程，也是学生在校学习期间学习成果的综合性总结，是整个教学活动中不可缺少的重要环节。撰写毕业论文对于培养学生初步的科学研究能力，提高其综合运用所学知识分析问题、解决问题能力有着重要意义。毕业论文在进行编写的过程中，需要经过开题报告、论文编写、论文上交评定、论文答辩以及论文评分五个过程，其中开题报告是论文进行的最重要的一个过程，也是论文能否进行的一个重要指标。撰写意义：1.撰写毕业论文是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。但是，实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。2.通过撰写毕业论文，提高写作水平是干部队伍“四化”建设的需要。党中央要求，为了适应现代化建设的需要，领导班子成员应当逐步实现“革命化、年轻化、知识化、专业化”。这个“四化”的要求，也包含了对干部写作能力和写作水平的要求。3.提高大学生的写作水平是社会主义物质文明和精神文明建设的需要。在新的历史时期，无论是提高全族的科学文化水平，掌握现代科技知识和科学管理方法，还是培养社会主义新人，都要求我们的干部具有较高的写作能力。在经济建设中，作为领导人员和机关的办事人员，要写指示、通知、总结、调查报告等应用文；要写说明书、广告、解说词等说明文；还要写科学论文、经济评论等议论文。在当今信息社会中，信息对于加快经济发展速度，取得良好的经济效益发挥着愈来愈大的作用。写作是以语言文字为信号，是传达信息的方式。信息的来源、信息的收集、信息的储存、整理、传播等等都离不开写作。论文种类：毕业论文是学术论文的一种形式，为了进一步探讨和掌握毕业论文的写作规律和特点，需要对毕业论文进行分类。由于毕业论文本身的内容和性质不同，研究领域、对象、方法、表现方式不同，因此，毕业论文就有不同的分类方法。按内容性质和研究方法的不同可以把毕业论文分为理论性论文、实验性论文、描述性论文和设计性论文。后三种论文主要是理工科大学生可以选择的论文形式，这里不作介绍。文科大学生一般写的是理论性论文。理论性论文具体又可分成两种：一种是以纯粹的抽象理论为研究对象，研究方法是严密的理论推导和数学运算，有的也涉及实验与观测，用以验证论点的正确性。另一种是以对客观事物和现象的调查、考察所得观测资料以及有关文献资料数据为研究对象，研究方法是对有关资料进行分析、综合、概括、抽象，通过归纳、演绎、类比，提出某种新的理论和新的见解。按议论的性质不同可以把毕业论文分为立论文和驳论文。立论性的毕业论文是指从正面阐述论证自己的观点和主张。一篇论文侧重于以立论为主，就属于立论性论文。立论文要求论点鲜明，论据充分，论证严密，以理和事实服人。驳论性毕业论文是指通过反驳别人的论点来树立自己的论点和主张。如果毕业论文侧重于以驳论为主，批驳某些错误的观点、见解、理论，就属于驳论性毕业论文。驳论文除按立论文对论点、论据、论证的要求以外，还要求针锋相对，据理力争。按研究问题的大小不同可以把毕业论文分为宏观论文和微观论文。凡届国家全局性、带有普遍性并对局部工作有一定指导意义的论文，称为宏观论文。它研究的面比较宽广，具有较大范围的影响。反之，研究局部性、具体问题的论文，是微观论文。它对具体工作有指导意义，影响的面窄一些。另外还有一种综合型的分类方法，即把毕业论文分为专题型、论辩型、综述型和综合型四大类：1．专题型论文。这是分析前人研究成果的基础上，以直接论述的形式发表见解，从正面提出某学科中某一学术问题的一种论文。如本书第十二章例文中的《浅析领导者突出工作重点的方法与艺术》一文，从正面论述了突出重点的工作方法的意义、方法和原则，它表明了作者对突出工作重点方法的肯定和理解。2．论辩型论文。这是针对他人在某学科中某一学术问题的见解，凭借充分的论据，着重揭露其不足或错误之处，通过论辩形式来发表见解的一种论文。3．综述型论文。这是在归纳、总结前人或今人对某学科中某一学术问题已有研究成果的基础上，加以介绍或评论，从而发表