年产50000吨柠檬酸发酵车间设计.doc
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1、南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计 学院(系): 生物与化学工程学院 专 业: 生物工程 学 生: * 指导教师: 李慧星(讲师) 完成日期 2009 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计年产50000吨柠檬酸发酵车间设计 Design an citric acid fermentation workshop plant with 50,000 tons annual output总计: 毕业设计(论文)38页表 格: 7 个插 图 : 3 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计年产50000吨柠檬酸发酵车间设计 Design an citric acid fermentati
2、on workshop plant with 50,000 tons annual output学 院(系): 生物与化学工程学院 专 业: 生物工程 学 生 姓 名: * 学 号: * 指 导 教 师(职称): 李慧星 (讲师) 评 阅 教 师: 完 成 日 期: 2010年2月6月 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology年产50000吨柠檬酸发酵车间设计生物工程专业 田彬摘要 本设计采用玉米原料发酵,只需将玉米磨粉,加水调浆,直接加入少量淀粉酶液化后,灭菌、冷却,即可接种发酵。制备柠檬酸一般采用晒干的玉米作为原料。玉米含水13%、淀粉70%左右、蛋白质
3、6%左右。玉米原料中的蛋白质可作为氮源供菌体生长。玉米原料中含有铁、镁、钾、钙等的无机盐,选用的黑曲霉C0527对这些成分不敏感,故不必对原料做任何预处理。本设计采用好气液体深层发酵、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。通过工艺流程设计、工艺衡算、设备选型和车间布置设计,设计出年产50000吨柠檬酸发酵车间采用20个200m3发酵罐和7个30m3种子罐等。并依据生物工程工厂车间布置原则,对发酵车间进行合理布置,绘制了工艺流程图和车间布置图.完成了年产50000吨柠檬酸发酵车间的设计。工艺设计结果为柠檬酸的生产提供一定参考。关键词
4、玉米 深层好氧发酵 黑曲霉 柠檬酸 设备设计及选型Design an citric acid fermentation workshop plant with 50,000 tons annual outputBio-engineering Major TianbinAbstract The design of raw materials used corn fermentation, simply corn mills, water-paste, adding a small amount of direct -amylase liquefaction, sterilization, coo
5、ling, fermentation can be vaccinated. Preparation of citric acid normally used as raw materials dried corn. Corn moisture content of 13%, about 70 percent of starch, protein about 6 per cent. Corn raw materials in the protein can be used as source of nitrogen for cell growth. Corn raw materials cont
6、aining iron, magnesium, potassium, calcium of inorganic salt, optional black Aspergillus niger C0527 is not sensitive to these ingredients, it need not do any pretreatment of the raw materials. The design of a good gas liquids deep fermentation, dry calcium citrate extraction technology production,
7、moreover introduced the citric acid ferments in technical process and fermentative process each control main point. The two methods are more popular domestic production methods, has a great deal of practical experience, easy to operate, the risk small. Through process design, process cross operator,
8、 equipment selection and facility layout design to the annual output of 50,000 tons of citric acid fermentation plant by 11 fermenters with 550m3 and 4 seeds cans with 55m3. And factory floor layout based on the principles of biological engineering, the reasonable layout of the fermentation plant, r
9、endering the process flow diagram and plant layout. Design an citric acid fermentation workshop plant with 50,000 tons annual output. Process design for the citric acid production results provide some reference. Key words: Corn Deep-seated aerobic fermentation Aspergillus niger Citric acid Equipment
10、 Design and Selection目 录1前言11柠檬酸的介绍11.1.1柠檬酸的性质11.1.2柠檬酸的发酵机理11.1.3柠檬酸的主要用途31.2柠檬酸工业的历史和国内外产业现状41.2.1柠檬酸工业的历史41.2.2世界柠檬酸产业现状41.2.3我国柠檬酸产业现状51.3我国柠檬酸工业展望51.4本设计的意义和主要任务61.4.1本设计的意义61.4.2本设计的主要任务72 生产工艺82.1生产方法82.2 工艺流程82.3 操作工艺93 工艺计算书123.1 物料衡算123.1.1 工艺技术指标及基础数据123.1.2 原料消耗计算123.1.3 发酵醪量的计算133.1.4
11、接种量133.1.5液化醪量计算133.1.6 成品柠檬酸143.1.7 淀粉质原料年产5万吨一水柠檬酸厂总物料衡算143.2 热量衡算153.2.1 液化热平衡计算153.2.2 发酵过程中的蒸汽耗量的计算153.2.3 发酵过程中的冷却水耗用量计算173.2.4 发酵过程中的无菌空气耗用量的计算184 发酵车间设备设计与选型194.1 发酵罐的选型194.1.1 发酵罐容积和台数的确定194.1.2 主要尺寸的计算204.1.3 发酵罐冷却面积的计算214.1.4发酵罐搅拌器的设计214.1.5 发酵罐设备结构的工艺设计234.1.6 发酵罐设备材料的选择264.1.7 发酵罐壁厚的计算2
12、64.1.8 发酵罐接管设计274.1.9 发酵罐支座的选择284.2 种子罐的选型284.2.1 种子罐容积和数量的确定284.2.2 种子罐主要尺寸确定284.2.3 种子罐型号确定294.3 贮罐选型294.3.1 发酵成熟醪贮罐294.3.2 硫酸铵贮罐294.3.3 设备一览表305 全厂及车间布置325.1 全场及车间布置325.2 车间布置设计原则325.2.1车间布置设计的目的和重要性325.2.2车间布置的有关技术要求和参数325.2.3设备的安全距离335.2.4设备布置原则34结论36参考文献37致谢381前言1柠檬酸的介绍1.1.1柠檬酸的性质柠檬酸(Citric Ac
13、id),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。商品柠檬酸有二种形式:一种是一水物,是由低温(36.6)水溶液中结晶析出,经分离、干燥后的产物,含结晶水量为8.58%,熔点7075,相对密度d204=1.542。在20下100克水中可溶解一水柠檬酸147克。在干燥空气中久置,晶格中的结晶水逸出而风化。另一种是无水物,是由较高温度(36.6)水溶液中结晶析出的。一水柠檬酸转变为无水柠
14、檬酸的临界温度为(36.60.15),无水柠檬酸的熔点153、相对密度d204=1.6650。11.1.2柠檬酸的发酵机理1 黑曲霉的柠檬酸生物合成途径已知生长在葡萄糖培养基上的黑曲霉存在着糖酵解途径(EMP)、磷酸戊糖途径(HMP)、三羧酸(TCA)循环和乙醛酸循环的酶系。经过多年研究,现在普遍认为,黑曲霉利用糖类产生柠檬酸的生物合成途径是:葡萄糖经EMP或HMP降解,形成丙酮酸;丙酮酸一方向氧化脱羧生成乙酰COA、另一力面经CO2固定羧化成草酰乙酸:然后草酰乙酸与乙酰COA缩合生成柠檬酸(图1-1)。 图11柠檬酸的生物合成途径1-丙酮酸脱氢酶; 2-柠檬酸合成酶; 3-乌头酸水合酶; 4
15、-异柠檬酸脱氢酶;5-酮戊二酸脱氢酶; 6-琥珀酸脱氢酶 7-富马酸酶; 8-苹果酸脱氢酶9-丙酮酸羧化酶; 10-磷酸烯醇丙酮酸羧激酶氧化脱羧柠檬酸也即是:乙酰-COAEMP途径丙酮酸葡萄糖 羧化草酰乙酸图1-2 柠檬酸合成途径2 由淀粉或糖类发酵转化为柠檬酸是一个非常复杂的过程。虽然详细的柠檬酸生物合成及三羧酸(TCA)循环23的调控机制尚不十分清楚,然而在1981 年Rohr 及Kubick 曾就前人的研究成果及其本身的研究,对黑曲霉发酵生产柠檬酸的调控,包括糖酵解(EMP)及TCA循环作了解释4。三羧酸循环又称柠檬酸循环,因在循环反应过程中有柠檬酸等三梭酸而得名,也称克雷布斯循环(Kr
16、ebs Cycle)。即葡萄糖酵解成为丙酮酸,由丙酮酸氧化脱羧生成活性乙酸或称乙酞辅酶A 和羧化生成草酞乙酸。活性乙酸与草酞乙酸缩合成柠檬酸。1.1.3柠檬酸的主要用途柠檬酸是当今利用微生物生产的一种极为重要的有机酸,广泛应用于食品、饮料、医药、工、冶金等领域。柠檬酸的用途主要分为食品工业、医药工业和化学工业三个方面。1、在食品工业上的应用:柠檬酸具有令人愉快的酸味,入口爽快,无后酸味,安全无毒,此被称为第一食用酸味剂,被广泛用于饮料、果酱、果冻、酿造酒、冰激凌和人造奶油、制品、罐头制品、豆制品及烟草中。2、在医药工业上的应用:医药上广泛用到柠檬酸及其盐类。柠檬酸盐用于补充相应元素,具有溶解度
17、高,生理宽容性大,酸根直接被吸收代谢而无羁留等优点。柠檬酸糖浆、柠酸铁铵、柠檬酸钾、柠檬酸钠、柠檬酸铜、柠檬酸镁被广泛应用于临床。3、在建筑工业中,可做混凝土缓凝剂,提高工程抗拉、抗压、抗冻性能,防治龟裂。4、 在化妆品业中,可做抗氧剂和发泡剂。5、 在油田工业方面,柠檬酸铝是一种新型油田化学品,用作水溶性聚合物的交联剂。国外在压裂、堵水、剖面调整等采油工艺中已广泛使用,提高了采油率。6、在化学工业上的应用:柠檬酸及其盐类在工业上的应用发展得最快。柠檬酸被广泛用缓冲剂、催化剂、激活剂、增塑剂、螯合剂、清洗剂、吸附剂、稳定剂、消泡剂等。其中洗涤剂方面的应用增长最大。柠檬酸钠盐的螯合作用很有特异性
18、,可以替代三聚磷酸钠,为绿色环保的无磷洗衣粉的原料。在国际市场上(以1999年欧洲市场为例),柠檬酸用作食品添加剂(主要是饮料)占62%,作洗涤剂的助剂为12%,用于医药和化妆品占11%,其它工业方面的应用占15%。美国柠酸的用量是世界上最大的,年需求量约为25万吨,最大的消费领域是饮料,占45%,加上它食品共占70%,洗涤剂行业消费占20%,还有10%用于化工和医药。在美国,用于食品饮料的柠檬酸大部分从欧洲和日本进口,而用于洗涤剂的柠檬酸大部分是从中国进口的。本是我国第二大柠檬酸出口国,每年从中国进口2万吨左右柠檬酸,目前年消费增长率为34%,消费分布为:食品行业2.1万吨,洗涤剂业1.2万
19、吨,医药业2000吨,其它方面为3000吨。5国内柠檬酸主要用于饮料和食品行业。但由于人们饮食习惯,以及市场开发不够等原因,求增长缓慢,年需求量增长仅1%左右。近年来,随着我国环保工作的加强,磷污染引起的境问题日益受到人们的关注,许多地区已禁止使用含磷洗衣粉,使得柠檬酸在洗涤剂行业有了一席之地,但我国柠檬酸人均消费量与发达国家比还有相当差距。随着快速增加的产和缓慢增长的国内需求差距的加大,造成柠檬酸产量严重供大于求,必须依赖出口解决这矛盾。1.2柠檬酸工业的历史和国内外产业现状1.2.1柠檬酸工业的历史自然界中许多微生物能向体外分泌或在环境中积累柠檬酸。但在工业领域中最有竞争力的微生物是黑曲霉
20、。柠檬酸是由瑞典化学家scheere于1784年从柠檬酸果汁中提取制成,并获得结晶。1891年德国微生物学家Wehmer发现青霉菌能生产柠檬酸,其中以黑曲霉产酸最高。1892年,Wehmer从腐败的柑橘上分离出一种产柠檬酸的菌,即橘青霉(Penicillium citrinum)。1897年,他又发现淡黄青霉(P.liteum)和梨型发霉(Mucor piribormis)也有产酸能力6。1913年Zahorski首先利用黑曲霉生产柠檬酸。1917年Currie初步奠定了发酵法生产柠檬酸的科学基础。7 柠檬酸作为一种重要的有机酸,自1923年美国辉瑞(Pfizer)公司建立了第一个以黑曲霉浅发
21、酵法生产柠檬酸的工厂以来,由于菌种选育和生产工艺的不断改进,生产率不断提高。1952年美国Miles实验室采用较为先进的深层发酵工艺实现了工业化大生产,从此柠檬酸的量逐年增加。近年来美国迈尔斯公司采用玉米淀粉为原料,经双曲法水解淀粉为液体葡萄糖进行浓酸深层发酵,发酵液中产酸浓度达22一23。最近几年由于许多国家对环保的重视,限制使用含磷洗涤剂,使其应用领域进步拓宽,需求量不断增加。2002年,世界柠檬酸消费量(不含中国)已升至近百万吨,年增率约5%。1.2.2世界柠檬酸产业现状目前,全球柠檬酸的总生产能力接近120万吨/年,中国占50%,世界总需求量为105110万吨/年,呈供大于求的状况,过
22、剩的生产能力主要在中国。消费以欧美为最大的市场,市场合计消费量占全球总消费量的70%。近几年,国外的柠檬酸生产企业通过兼并、新建又增加了新的生产能力。1998年TATE LYLE公司收购了拜耳的子公司HAARMANN REIMER的拉丁美洲和美国俄亥俄州代顿的年产量为60kt的柠檬酸工厂,市场份额增加到了17%。位于奥地利的JUNGBUNZLAUER公司在加拿大安大略湖建立了新工厂以扩大它在北美的市场。2000年6月,该公司与加拿大的CASCO公司签定了长期供应协议,即JUNGBUNZLAUER公司加工CASCO提供的发酵原料来生产柠檬酸,并于2002年初投产。CARGILL公司在巴西乌贝兰迪
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