【正文】 用酸味劑 70%左右的市場(chǎng)份額，除 可口可樂 和純果汁以外，幾乎所有的飲料（包括固體和液體）都使用 檸檬酸作為酸味劑，通常的添加量為 %%（ m/m） 。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，使用檸檬酸的食品或藥品（如化學(xué)藥的枸櫞酸鹽）約有上千種之多?？梢哉J(rèn)為 ，檸檬酸早已成為現(xiàn)代食品、醫(yī)藥業(yè)、日化行業(yè)及其他工業(yè)的通用原料[5]。 1860 年意大利開始用 添加石灰乳的方法從果汁中得到檸檬酸，從而進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)。 1893 年德國(guó)微生物學(xué)者 Wehmer 發(fā)現(xiàn)一種青霉能夠積累檸檬酸，但未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 1952 年，美國(guó)的 Miles 公司首先成功地采用液體深層發(fā)酵 工業(yè)化 規(guī)模生產(chǎn)檸檬酸。到 20xx 年，全球檸檬酸的年生產(chǎn)能力在 90 萬 噸 以上，并一直保持比較平穩(wěn)的發(fā)展速度 [5]。 1969 年上海酵母廠成功利用薯干粉深層發(fā)酵檸檬酸。全國(guó)有近 90 家檸檬酸生產(chǎn)企業(yè)，年生產(chǎn)能力達(dá)近 50萬 噸 ，占世界總量的 40%多。我國(guó)開發(fā)的以白薯干為原料的產(chǎn)酸菌種具有其獨(dú)到的特點(diǎn)，加之我國(guó)的許多地區(qū)對(duì)生產(chǎn)過程中排放的廢水要求較低，多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水沒能進(jìn)行比較有效的處理，因此，我國(guó)檸檬酸生產(chǎn)成本較低，在國(guó)際市場(chǎng)上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 北京理工大學(xué)珠 海學(xué)院 20xx 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 2 生產(chǎn)工藝 生產(chǎn)方法 本次生產(chǎn)工藝 設(shè)計(jì) 以 薯干 為原料 ， 采用直接粉碎 、 調(diào)漿、液化 ， 進(jìn)行 好氣液體 深層發(fā)酵 ， 鈣鹽法提取 ，最后結(jié)晶、干燥得到 檸檬酸 。 圖 11 檸檬酸生產(chǎn)工藝流程示意圖 凈化 空氣 菌種 種子 發(fā)酵 消泡劑 過濾 廢渣處理 中和 鈣鹽 干燥 濕檸檬酸 純水 分離 次品回溶 蒸發(fā)結(jié)品 過濾 廢渣處理 酸解 酸液 活性炭 酸解液 離子交換處理 滅菌 配料 篩選 淀粉糖 成品檸檬酸 北京理工大學(xué)珠 海學(xué)院 20xx 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 操作工藝 原料的處理 根據(jù)發(fā)酵的要求，對(duì)薯干原料，采用直接粉碎、磨粉、調(diào)漿 、液化、連續(xù)滅菌的處理方法；以薯干原料生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)我國(guó)薯干粗料的特征，發(fā)酵工藝要求將薯干從平倉(cāng)運(yùn)至備料車間，經(jīng)過磁選裝置除去原料中含鐵雜質(zhì)，以保護(hù)設(shè)備。粗碎后，由斗式提升機(jī)提送至中間粉倉(cāng)，由粉倉(cāng)落入磨粉機(jī)粉碎，粉碎后進(jìn)入粉倉(cāng)再經(jīng)計(jì)量送至配料罐。液化完成后送至連消裝置連續(xù)滅菌，再送至發(fā)酵車間 [6]。在發(fā)酵培養(yǎng)過程中，對(duì)罐溫、罐壓、通風(fēng)量、攪拌轉(zhuǎn)速等實(shí)行連續(xù)記錄監(jiān)控，并定期檢測(cè)原糖消耗情況、菌種生長(zhǎng)狀態(tài)、 pH值、泡沫等變化情況。在發(fā)酵或培種過程的定期檢測(cè)中，若發(fā)現(xiàn)異常情況 ，如染菌等，應(yīng)針對(duì)具體情況及時(shí)處理，對(duì)中、前期染菌，可加大種量形成主菌群生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，或及時(shí)罐實(shí)消，補(bǔ)入適當(dāng)營(yíng)養(yǎng)源重新接種發(fā)酵；后期時(shí)可加強(qiáng)監(jiān)控，提前放罐；對(duì)倒罐等應(yīng)予滅菌排放處理，并認(rèn)真查找原因，進(jìn)一步強(qiáng)化滅菌操作中的各個(gè)環(huán)節(jié) [6]。 提取工段 由壓濾工段送來的檸檬酸清醪液泵 入 中和罐，在 80℃下進(jìn)行中和。 分離后的檸檬酸鈣經(jīng)卸料螺旋送至酸解桶中，由熱水或酸解液調(diào)漿，濃硫酸由酸堿站泵入 ，再計(jì)量到酸堿桶中與檸檬酸鈣在 80℃北京理工大學(xué)珠 海學(xué)院 20xx 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 下生成硫酸鈣與檸檬酸的懸濁液送入酸解帶式過濾機(jī)進(jìn)行過濾，清洗液即稀酸解液收集用于調(diào)漿，硫酸鈣運(yùn)至渣場(chǎng)綜合利用，檸檬酸酸解送精制工段 [6]。 蒸發(fā)與結(jié)晶 在提純?nèi)芤哼M(jìn)入蒸發(fā)部分前，通過精過濾器除去清液中的微小樹脂顆粒。以確定產(chǎn)品 (一水產(chǎn)品或無水產(chǎn)品 )，再經(jīng)分離將檸檬酸晶粒從液相中分離出來，液相 (母液 )在分離后分別放至各級(jí)母液貯罐，根據(jù)其雜質(zhì)離交濃度情況，送往重新蒸發(fā)式回流到前工序處理提純，晶體送往干燥機(jī) [6]。 北京理工大學(xué)珠 海學(xué)院 20xx 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 3 工藝計(jì)算書 物料衡算 （ 1）生產(chǎn)規(guī)模： 100000t/%一水檸檬酸折合成 ； （ 2）生產(chǎn)方法：外加耐高溫α 淀粉酶液化，深層液體發(fā)酵，鈣鹽干法提取； （ 3）生產(chǎn)天數(shù)：每年 300 天； （ 4）食用 %無水檸檬酸日產(chǎn)量： 247。 原料消耗計(jì)算（基準(zhǔn)：一噸成品檸檬酸） 年產(chǎn) 10 萬噸一水檸檬酸，折合無水檸檬酸，按 1995 年 5 月，中國(guó)發(fā)酵工業(yè)協(xié)會(huì)檸檬酸分會(huì)制定的“檸檬酸行業(yè)統(tǒng)計(jì)辦法”： 無水檸檬酸需要量為： 100000247。 192） %= kg （ 3）生產(chǎn) %無水檸檬酸所需實(shí)際淀粉消耗量： X247。 70%= （ 5）α 淀粉酶的消耗量 ： 應(yīng)用酶活力為 20xx0u/g 的α 淀粉酶使淀粉液化。 20xx0= 發(fā)酵醪量的計(jì)算 北京理工大學(xué)珠 海學(xué)院 20xx 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 根據(jù)發(fā)酵液轉(zhuǎn)化率為 13%： 1000 %247。 110%= kg 液化醪量計(jì)算 因?yàn)槌墒煺糁篚矠椋?= 則調(diào)漿濃度為： 100%247。 =% 蒸煮直接蒸汽加熱 ,采用連續(xù)液化工藝 : 操作 流程 : (1) 混合后粉漿溫度為 50℃ ， 應(yīng)用噴射液化器迅速使粉漿升溫至 100℃ 。 (2) 液化完成的醪液由板式換熱器降溫至 35+1℃?zhèn)溆谩? 工藝計(jì)算 : 干物質(zhì)含量 B0=70%的薯干原料比熱容為 : C0= ( B0)=(kg K) Cw水的比熱容取 (kg ( )=(kg) 解得 X=（ kg） 其中 的焓 成品檸檬酸 日產(chǎn)檸檬酸量為： 247。 98%=需分離液中檸檬酸的含量為： 247。 （ 1）檸檬酸成品 日產(chǎn)食用 % 無水檸檬酸量為 ，取整數(shù)為 306t 日產(chǎn)副產(chǎn)品為： 306 2247。 表 3１ 100000t/a 料檸檬酸廠物料衡算表 物料名稱 每噸產(chǎn)品耗物量 （ kg） 年產(chǎn) 10 萬噸 耗物量 每天（ t/d） 每年 (t/a) 食用檸檬酸 980 306 91800 副產(chǎn)品 20 1872 薯干原料 130257 淀粉 91179 α 淀粉酶 51 發(fā)酵醪 770087 接種量 70008 成熟蒸煮醪 700026 薯干漿量 1855280 熱量衡算 液化熱平衡計(jì)算 噴射加熱器耗熱 噴射加熱初溫 t1=50℃加熱后 t2=100℃ 醪液的比熱容為 C1 =(kg （ 2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 在 280C 下，查得：淀粉的比熱容為 ? 水的比熱容為 ? 加熱蒸汽的熱焓為 ? 加熱蒸汽的冷凝水的熱焓為 ? 由前面的計(jì)算可知，日耗薯干粉量為 日耗淀粉量為 日耗薯干漿量為 則日耗調(diào)漿用水量為： = t/d 日耗淀粉漿量為： += t/d 淀粉漿中含水量為：（ 247。 ） 100%=% 由此可算得淀粉漿的比熱容為： C=C 淀粉 X+C 水 Y= %+ %=? 式中： X—— 淀粉濃度， % Y—— 水濃度， % （ 3）生產(chǎn)過程中蒸汽耗量的計(jì)算 ①培養(yǎng)基滅菌及管道滅菌： 培養(yǎng)基采取連消塔連續(xù)滅菌，進(jìn)塔溫 90℃，滅菌 130℃ 北京理工大學(xué)珠 海學(xué)院 20xx 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 則滅菌用蒸汽量： ? ?? ?21DC t tDI ???? ? 每罐的初始體積為 180 m3，初糖濃 度是 13g/100ml，滅菌前培養(yǎng)基含糖量 19%。 19%= 滅菌加熱過程中用 ，蒸汽（表壓） I=，由維持罐（ 90℃），進(jìn)入連消塔加熱至 130℃，糖液比熱容 ? 。 3= t/h， 消毒滅菌用蒸汽量： D=41050 (13090)247。 ② 加熱發(fā)酵醪所用的蒸汽量 D6： 檸檬酸水溶液的比熱容可按下式近似計(jì)算： C=( +) 式中： —— 比熱容 kJ/kg?℃ ω —— 檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)， ω =（ 247。 （ ） 95% =（ 4）將發(fā)酵段蒸汽衡算列于表 32。 [ (2815)]=8077kg/h=將發(fā)酵段水衡算列入表 33。 北京理工大學(xué)珠 海學(xué)院 20xx 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 表 34 發(fā)酵車間無菌空氣用量衡算表 設(shè)備 名稱 單罐每小時(shí)用氣量 (m3/h) 單罐每日用 氣量 (m3/d) 每罐每年用 氣量 (m3/a) 年總用 氣量 m3/a 發(fā)酵罐 155520 6220800 種子罐 38880 1555200 總用量 27 648 194400 7776000 北京理工大學(xué)珠 海學(xué)院 20xx 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 與 選型 以薯干為原料生產(chǎn)檸檬酸 是 我國(guó) 特有的 檸檬酸粗料發(fā)酵工藝，原料預(yù)處理設(shè)備可全部采用國(guó)產(chǎn)定型的糧食及飼料處理機(jī)械，生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單、處理成本低、設(shè)備投資省。 ρ =247。設(shè)料液滯留時(shí)間為30min。 60) 30= (2)設(shè)備數(shù)量的計(jì)算 n=V 有效 247。 (6 70%)=(臺(tái) )，取 2 臺(tái)。 噴射加熱器的選型 為保證營(yíng)養(yǎng)不被破壞取停留時(shí)間為 10s， 物料流速取 （ 1）加熱器的長(zhǎng)度 L: L=vt=4(m) （ 2）蒸汽消耗 ： 流量為 G=247。 ℃ ) 溫度由 t1=50℃加熱到 t2=100℃，加熱蒸汽 P= 飽和蒸汽溫度 145℃，干飽和蒸汽熱焓 λ = 39。 [ ()] = kg/h V 蒸汽 = 39。蒸汽=247。 （ 5）出料管徑計(jì)算 : V 出 =G 出 247。 = F 出 =(m2)取 d 出 =(m) 無逢鋼管 φ 144mm 3 則 φ 內(nèi)徑 =132mm可以滿足要求。 φ = 247。 4= m3， 取為 12 m3 (4)設(shè)備主要尺寸的確定 ， 現(xiàn)取 H=3D 采用橢圓封頭。 24+2D =12 m3 解方程 D=； 取 D=；則 H=3D=， 封頭高度 h=h1+h2=475+25=500(mm)。 (5)根據(jù)以上計(jì)算，選用 1 個(gè)容積為 12 m3 的維持罐。 (1)換熱面積計(jì)算 ① 醪液溫度從 100℃降到 35℃ 北京理工大學(xué)珠 海學(xué)院 20xx 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 醪液放熱 Q1=G1Cw(t2t1)= (10035)= 106kJ/h 設(shè)熱損失為 4%則實(shí)際傳熱為 Q1180。 ℃ ) 則 F= Q2/K△ t= 6?? ? = m2 （ 2）根據(jù)以上計(jì)算，選用 F=12 m2 的換熱器一套。選用這種發(fā)酵罐的原因主要是：歷史悠久，資料齊全， 在 比擬放大方面積累了較豐富的成功經(jīng)驗(yàn)，成功率高。從試用情況看，由于氣升式罐在生產(chǎn)周期、產(chǎn)酸率、供氧周期波動(dòng)的影響、通風(fēng)量增加的綜合能耗、生產(chǎn)的穩(wěn)定性及可重復(fù)性等因素，所以多數(shù)廠家目前仍延用機(jī)械攪拌通風(fēng)式發(fā)酵罐。其攪拌功率，比相同容積的通用發(fā)酵罐降低約 10%。 結(jié)合目前本行業(yè)發(fā)酵技術(shù)的現(xiàn)狀，目前國(guó)內(nèi)行業(yè)成熟技術(shù)水平、加工技術(shù)水平，企業(yè)可能達(dá)到的發(fā)酵控制管理水平等，從生產(chǎn)的可靠性、可實(shí)施性等方面考慮，本設(shè)計(jì)擬采用放罐容積約 200 m3 的新型通風(fēng)發(fā)酵罐。 發(fā)酵罐容積和臺(tái)數(shù)的確定 （ 1）發(fā)酵初糖濃度： 由前面的計(jì)算可知，發(fā)酵液中檸檬酸的含量為 t/d，則根據(jù)： 6 12 6 6 8 7C H O C H O? 180 192 可計(jì)算出葡萄糖量為： 180247。 =12% （ 2）生產(chǎn)能力的計(jì)算： 現(xiàn)每天產(chǎn) %純度的檸檬酸 306t，檸檬酸發(fā)酵周期為 75h（包括發(fā)酵罐清洗、滅菌、進(jìn)出物料等輔助操作時(shí)間）。 每天產(chǎn)純度為 %的檸檬酸 306t，每噸 100%的檸檬酸需糖液 m3； V 糖 = 306= 設(shè)發(fā)酵罐的填充系數(shù) ? 90%? ，則每天需要發(fā) 酵罐的總?cè)莘e為 Vo(發(fā)酵 周期為 48h）。 φ =247。 查表知公稱容積為 200 m3 的發(fā)酵罐，總?cè)莘e為 230m3，則： 每臺(tái)罐的產(chǎn)量為： 200 13%