年產(chǎn)2萬噸檸檬酸工程提取車間 設(shè)計說明書系 別： 城市建設(shè)系 專業(yè)班級： 生物工程0701班 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： （課程設(shè)計時間：2011年 月 日 2011年 月 日）華中科技大學(xué)武昌分校目 錄1課題設(shè)計目的 12課題設(shè)計題目描述和要求 13課題設(shè)計報告內(nèi)容 23.1檸檬酸生產(chǎn)相關(guān)知識簡介 23.2年產(chǎn)2萬噸檸檬酸工程提取車間的物料衡算 43.3提取工藝中雜質(zhì)濃度的計算113.4繪制工藝流程圖（附圖）4總結(jié) 16參考文獻(xiàn) 171課題設(shè)計的目的1.1 主要內(nèi)容1、生產(chǎn)工藝的確定并繪制帶控制點(diǎn)工藝流程圖；2、工藝計算確定原材料、能源消耗；3、設(shè)備計算與選型；4、編寫設(shè)計說明書及繪制工程圖；5、檢查及修改說明書及圖紙。1.2 具體要求1、 畢業(yè)設(shè)計開題報告不少于2000字；完成與畢業(yè)設(shè)計課題相關(guān)的外文文獻(xiàn)翻譯，不少于2000漢字；2、 中、英文摘要：350字左右；3、 完成設(shè)計說明書（工藝計算與設(shè)備選型）：不少于1萬字（圖紙、程序、計算表格除外）。4、繪制工程圖：A2圖，全部為CAD繪圖，包括設(shè)計內(nèi)容中的帶控制點(diǎn)工藝流程圖、設(shè)備平立面布置圖、管道平立面布置圖、專業(yè)設(shè)備加工條件圖（一張）2課題設(shè)計的描述 2.1 檸檬酸概述檸檬酸（citric acid，citrrus）又名枸櫞酸，學(xué)名為3羥基3羧基戊二酸。檸檬酸在自然界中分布很廣，主要存在于檸檬、柑橘、菠蘿、梅等果實(shí)中，尤其以未成熟者含量較多。植物葉子中也含有檸檬酸。在動物中，檸檬酸存在于骨骼、肌肉、血液、乳汁、唾液、汗和尿中。檸檬酸是生物體主要代謝產(chǎn)物之一。檸檬酸的用途很廣泛，其中以食品工業(yè)用量最多（約占70%），主要作為飲料的酸味劑。世界衛(wèi)生組織（WHO）對檸檬酸在食物中的添加量未作任何限制。2.1.1、檸檬酸的物理性質(zhì) 檸檬酸為無色半透明晶體，或白色顆粒，或白色結(jié)品性粉末，無免雖有強(qiáng)烈酸味但令人愉快，稍有一點(diǎn)后澀味。它在溫堰空氣中慚瀝風(fēng)化，在潮濕空氣中微有溶解性。 結(jié)晶形態(tài)與性質(zhì)：檸檬酸結(jié)晶形態(tài)因結(jié)晶條件不同而不同，有無水檸檬酸，C6H8O7，也有合結(jié)晶水的檸檬酸2C6H8O7H2O、C6H8O7H2O或C6H8O72 H2O。 商品檸檬酸主要是無水檸檬酸和一水檸檬酸。 一水檸檬酸是由低溫(低于366)水溶液中結(jié)晶析出，經(jīng)分離干燥后的產(chǎn)品，分子量21014，含結(jié)晶水量為8.5%，熔點(diǎn)7075，密度的1542。20下，100g水中可溶解無水物147g.放置在干燥空氣中時，處于晶體品格中的結(jié)晶水逸出而風(fēng)化。一水檸檬酸晶體緩慢加熱時，先在5070開始失水，7075晶體軟化，開始熔化。加熱到130時完全喪失結(jié)晶水，最后在135152范田內(nèi)完全溶化化。水檸檬酸劇烈加熱時，在100熔化，結(jié)塊變?yōu)闊o水檸檬酸，繼續(xù)加熱很精確地在153溶化。一水檸檬酸晶體為斜方棱晶，晶體較大，晶軸a：bc0.6068：1：0.1106。折射率率n：1493-15090.無水檸檬酸是由高溫(高于366)水溶液中結(jié)晶析出的。一水檸檬酸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o水檸檬酸肋臨界溫度為366+15。無水檸檬酸分子量19212，熔點(diǎn)153，密度的16650。晶體形態(tài)為單斜晶系的棱形雙菱錐體。錐角A99。7，晶軸n：b：c1.936：1：1.50。 2.2檸檬酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的問題及策略 2.2.1開發(fā)綠色工藝 檸檬酸作為食品添加劑、醫(yī)藥原料、金屬清洗劑等領(lǐng)域的重要精細(xì)化學(xué)品，其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。我國的檸檬酸產(chǎn)品幾乎銷售到了世界的每一個角落出口量不斷增加，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，但隨著人們環(huán)境意識的提高，環(huán)保壓力日益加大，檸檬酸生產(chǎn)中的環(huán)境問題越來越引起人們的關(guān)注。檸檬酸的提取現(xiàn)在較多的仍是采用鈣鹽法，而鈣鹽法產(chǎn)生的CaSO4。對環(huán)境有很大的污染。目前國家已經(jīng)頒布了相關(guān)文件，禁止鈣鹽法的使用，這對檸檬酸的生產(chǎn)提出了巨大挑戰(zhàn)。檸檬酸工業(yè)要繼續(xù)發(fā)展下去必須開發(fā)出能夠取代現(xiàn)有鈣鹽法的新技術(shù)。 2.2.2持續(xù)發(fā)展目前資源日益緊缺，我國政府提出了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念，號召開發(fā)新的可再生替代能源，發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)，從根本上打破中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源瓶頸。我國雖然是檸檬酸生產(chǎn)大國，檸檬酸生產(chǎn)過程中使用的原料主要還是玉米等糧食作物，檸檬酸的發(fā)展受到一定的限制。而我國有著豐富的秸稈資源，每年的總資源不低于10億t干物質(zhì)，以秸稈為原材料將是檸檬酸的生產(chǎn)新機(jī)遇。 2.2.3開發(fā)新產(chǎn)品我國檸檬酸生產(chǎn)主要還是集中在一水檸檬酸等少數(shù)幾個產(chǎn)品上，產(chǎn)品層次單一，而對于如無水檸檬酸等市場急需產(chǎn)品的相關(guān)生產(chǎn)卻比較少。國內(nèi)的檸檬酸企業(yè)應(yīng)該抓住機(jī)遇，不斷改進(jìn)技術(shù)工藝，開發(fā)新產(chǎn)品，滿足國內(nèi)外市場對無水檸檬酸等的需求。 2.3檸檬酸提取工藝 檸檬酸發(fā)酵液的成分比較復(fù)雜，除產(chǎn)物檸檬酸外，還包括殘?zhí)?、菌體、蛋白質(zhì)、色素、膠體、無機(jī)鹽、有機(jī)雜酸等多種雜質(zhì)，這些均來源于原材料和底物中未消耗的營養(yǎng)鹽以及發(fā)酵過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物等。所以，發(fā)酵工藝和原材料的不同均影響著發(fā)酵液的組成，這也增加了檸檬酸提取工藝的難度。目前，我國檸檬酸生產(chǎn)廠家主要采用的提取工藝仍是傳統(tǒng)的鈣鹽法。但該法工藝復(fù)雜，收率低，能耗、料耗大，且產(chǎn)生大量難處理的廢水、廢渣，這些缺點(diǎn)已嚴(yán)重制約了我國檸檬酸行業(yè)的發(fā)展。因此，檸檬酸產(chǎn)業(yè)的清潔生產(chǎn)技術(shù)不僅對降低成本具有重要意義，還事關(guān)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展；高效、低污染的提取方法如氫鈣法、色譜法、離子交換吸附法、溶液萃取法、膜分離法等得到了廣泛的研究，其中檸檬酸氫鈣法和模擬移動床色譜法在萬噸級規(guī)模檸檬酸生產(chǎn)中獲得了成功。 鈣鹽法提取檸檬酸其理論依據(jù)是將CaCO3或Ca（OH）2加入發(fā)酵清液中，形成檸檬酸鈣沉淀，然后將此沉淀與濃硫酸反應(yīng)，形成硫酸鈣沉淀，析出檸檬酸溶液，再經(jīng)過離子交換及濃縮結(jié)晶后，便可以得到檸檬酸晶體。其工藝流程見圖1。這種方法雖然原理比較簡單， 工藝成熟， 但是勞動強(qiáng)度極大，使用了強(qiáng)酸且有廢棄物的排出，無論是對操作者還是對環(huán)境都造成了極大的危害； 同時此方法得到的檸檬酸收率也不高，一般只能達(dá)到70 %左右。2.年產(chǎn)2萬噸檸檬酸工程提取車間設(shè)計 1.1檸檬酸工程提取車間設(shè)計流程發(fā)酵醪預(yù)處理過濾中和石灰乳（石灰粉）過濾石膏渣酸化過濾炭柱脫色離子交換結(jié)晶干燥、分級離心分級菌體殘渣加熱至80-90草酸鈣膠體，有色質(zhì)金屬離子、陰離子鋇鹽、黃血鹽93%濃硫酸金屬離子、SO42包裝圖1檸檬酸提取車間所需設(shè)備1：中和槽2：石灰乳儲罐3：檸檬酸鈣懸浮液叩送泵4：壓濾機(jī)5：檸檬酸鈣儲液罐6：濾液澄清罐7：泵8：濾液儲罐9：泵10：酸解罐11：酸液計量罐12：黃血鹽溶液計量罐13：帶式真空過濾機(jī)14：檸檬酸液真空收集槽15：真空泵16：酸液泵17：檸檬酸儲液罐18：一級真空蒸發(fā)器19：一次濃縮液儲罐20：板框壓濾機(jī)21：濾液儲罐22：酸液泵23：檸檬酸液儲罐24：二級蒸發(fā)器25：真空冷卻器26：水槽27：水泵28：二次濃縮液儲罐29：泵30:結(jié)晶罐31:酸液分布器32：離心機(jī)33：一次母液儲罐34：母液泵35：送料器36：干燥器 37：斗式提升機(jī)38：振蕩結(jié)晶冷卻器39：成品儲罐 1.2 檸檬酸發(fā)酵的原料：檸檬酸發(fā)酵采用的原料是玉米，水，曲霉。1.3 檸檬酸發(fā)酵原料處理：玉米的液化、糖化1.4 檸檬酸發(fā)酵： 黑曲霉可以由糖類、乙醇和醋酸等發(fā)酵產(chǎn)生檸檬酸，這是一個非常復(fù)雜的生理生化過程。早在上一世紀(jì)末，人們就開始對檸檬酸的發(fā)酵機(jī)理進(jìn)行了探比但都是從某些片面的現(xiàn)象或?qū)嶒炇聦?shí)提出的假說，基本上屬于猜測。只Raistrick和Clark(1919年)提出的假說最接近于現(xiàn)代的理論，他們認(rèn)為檸檬酸是由草酰乙酸和醋酸縮合成的。而現(xiàn)在普遍認(rèn)為檸檬酸是經(jīng)過EMF途徑、丙酮酸羧化和三羧酸循環(huán)形成的。2檸檬酸提取車間物料衡算檸檬酸提取車間的物料平衡計算主要項目為發(fā)酵醪中一水檸檬酸的衡算，中和劑石灰乳和酸化用濃硫酸的量，廢渣量（草酸鈣，石膏渣，金屬離子）等。 2.1檸檬酸工程提取車間工藝流程示意圖發(fā)酵醪過濾中和Ca（OH）2化酸解過濾炭柱脫色離子交換濃縮圖2鈣鹽離子交換法提取檸檬酸工藝流程示意圖過濾殘渣鈣鹽水洗濃硫酸有色質(zhì)，膠體Fe3+、Mg2+Al3+, SO42-等 結(jié)晶交換離心石膏母液干燥CA產(chǎn)品2.2 工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)根據(jù)表1的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行100kg原料生產(chǎn)12淡色啤酒的物料計算，然后進(jìn)行100L 12淡色啤酒的物料衡算，最后進(jìn)行10000t/a啤酒廠糖化車間的物料平衡計算。 表1檸檬酸生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)項 目名 稱百分比（%）項 目名 稱百分比（%）定額指標(biāo)食用無水檬酸標(biāo)準(zhǔn)99.5-淀粉酶用量8U/g實(shí)際產(chǎn)率約為98操作參數(shù)（轉(zhuǎn)化率）淀粉糖轉(zhuǎn)化率98.5糖酸轉(zhuǎn)化率95副產(chǎn)品2提取分離收率94玉米淀粉含量6570精制收率96水分18倒罐率12.3 2萬噸一水檸檬酸提取車間物料衡算(1)年產(chǎn)2萬噸一水檸檬酸折合無水檸檬酸，按1995年5月，中國發(fā)酵工業(yè)協(xié)會檸檬酸分會制定的“檸檬酸行業(yè)統(tǒng)計辦法”: 中和(總收率90%) 進(jìn)入提取工段的無水檸檬酸：20000/1.00914=18325.085t/a每中和100kg一水檸檬酸所需的石灰乳的量計算如下：2C6H8O7H2O+3CaCO3 Ca3(C6H5O7)4H2O+3CO2 +H2O 2C6H8O7H2O+3Ca(OH)2 Ca3(C6H5O7)4H2O+4H2O 根據(jù)上述反應(yīng)式，可以計算出沒中和100kg的一水檸檬酸需要CaCO3 71.5kg 或Ca(OH)2 53kg(折合CaO40kg)。那么兩萬噸一水檸檬酸消耗的石灰乳總量為14300kg ，折合CaO為8000kg。 另外發(fā)酵液中的草酸鈣在PH3以下沉淀析出。反應(yīng)如下： 草酸 C2H2O4+Ca2+ CaC2O4 葡糖酸 2C6H12O7+Ca2+ Ca(C6H11O7)2 深層發(fā)酵液中葡糖酸含量為0.20.3%，此處取0.25%，草酸含量為0.10.3%，此處取0.15%，檸檬酸95%，其它1.0%。那么檸檬酸發(fā)酵液中葡糖酸、草酸、檸檬酸的總含量分別為： 發(fā)酵液總量 20000/0.95=21052.6t 葡糖酸 21052.6*0.0025=52.63t 草酸 21052.6*0.0015=31.57t 檸檬酸 20000t 其中草酸在中和過程中（PH2.72.9）率先一草酸鈣鹽的形式沉淀下來。葡糖酸則因為溶解度比較大而繼續(xù)留在酸液中。 酸解 酸化用硫酸用量：Ca2+ SO42- CaSO4 因為硫酸與鈣鹽的用量比為1.02:1左右。過量的硫酸，目的在于盡量減少檸檬酸的損失。不能過多，是應(yīng)為，硫酸對容易的沸點(diǎn)有影響，可能導(dǎo)致溫度過高時草酸鈣的分解。 有以上反應(yīng)是可計算得硫酸用量為：14280t 酸解后的凈化：1.活性炭（粉狀）出去色素和膠體； 2.鋇鹽沉淀法出去過量的硫酸根離子； 3.亞鐵氰化鈣（200g/l）去除Fe3+,Ni3+； 4.除Pb,As,可以以硫化物沉淀去除。通常用粒狀硫化鋇。 脫色，離子交換