生物工程毕业设计(论文)-年产10万吨一水柠檬酸工厂设计.doc

生物工程毕业设计（论文）-年产10万吨一水柠檬酸工厂设计

工厂设计

设计题目：年产10万吨一水柠檬酸工厂设计

姓名

院系
生命科学学院
专业
生物工程
年级

学号

指导教师

2011-5-31

目 录

1.绪论 5
1.1项目建设的背景 5
1.1.1项目提出的依据 5
1.1.2投资的必要性 5
1.1.3研究范围及过程 5
1.2市场需求预测 6
1.2.1国际市场分析 6
1.2.2国内市场分析 6
1.2.3市场销售与价格 7
1.3厂区选择 7
1.3.1厂址的地理位置 7
1.3.2工程地址基本情况 7
1.3.3交通状况 8
2.厂区平面设计 9
2.1总平面设计 9
2.2设计说明书 9
2.2.1设计依据 9
2.2.2总平面设计说明 10
2.3主要设计指标 10
3. 产品方案及工艺流程 10
3.1产品方案 10
3.2工艺流程 11
3.3操作工艺 12
3.3.1 原料的处理 12
3.3.2 发酵工序 12
3.3.3 醪液处理工序 12
3.3.4 提取工段 12
3.3.5 精制工段 13
4.工艺计算 13
4.1物料衡算 13
4.1.1工艺技术指标及基础数据 13
4.1.2原料消耗计算（基准：一吨成品柠檬酸） 14
4.1.3发酵醪量的计算 14
4.1.4 接种量 15
4.1.5 液化醪量计算 15
4.1.6 成品柠檬酸 15
4.1.7淀粉质原料年产10万吨一水柠檬酸厂总物料衡算 16
4.2热量衡算 17
4.2.1液化热平衡计算 17
4.2.2发酵过程中的蒸汽耗量的计算 17
4.2.3发酵过程中的冷却水耗量计算 19
4.2.4发酵过程中的无菌空气耗用量的计算 19
5.糖化车间设备设计与选型 20
5.1调浆桶的选型 20
5.2喷射加热器的选型 21
5.3液化维持罐的选型 22
5.4板式换热器的选型 22
6.发酵车间设备设计与选型 23
6.1发酵罐的选型 23
6.1.1发酵罐容积和台数的确定 23
6.1.2主要尺寸的计算 24
6.1.3发酵罐冷却面积的计算 25
6.1.4发酵罐搅拌器的设计 25
6.1.5发酵罐设备结构的工艺设计 27
6.1.6发酵罐设备材料的选择 29
6.1.7发酵罐壁厚的计算 29
6.1.8发酵罐接管设计 30
6.1.9发酵罐支座的选择 31
6.2种子罐的选型 31
6.2.1种子罐容积和数量的确定 31
6.2.2种子罐主要尺寸确定 31
6.2.3种子罐型号确定 32
6.3贮罐选型 32
6.3.1发酵成熟醪贮罐 32
6.3.2硫酸銨贮罐 32
7.水电平衡 34
7.1全年用水量计算 34
7.1.1生产用水 34
7.1.2锅炉用水 34
7.1.3生活用水 34
7.2全年用电量计算 34
7.2.1生产用电 34
7.2.2照明用电 35
7.2.3生活用电 35
8.公用工程和辅助设施 36
8.1 工厂运输 36
8.1.1货物运输量及运输方式的确定 36
8.1.2货物运输方案的确定 36
8.2贮运设施 36
8.2.1各种物料贮存天数及贮存量根据以下原则确定 36
8.2.2各种物料贮存天数、贮存量的确定 36
8.2.3 物料贮存方案的确定 37
8.3 给水排水 37
8.3.1给水 37
8.3.2循环水系统 37
8.3.3排水 38
8.4采暖通气系统 38
8.5 供电及电讯 38
8.5.1 供电 38
8.5.2电讯 38
8.6供热 38
9.企业组织和劳动定员 39
9.1建制及组织 39
9.2岗位定员情况 39
10.环境保护与劳动安全 40
10.1环境保护 40
10.1.1主要污染源 40
10.1.2环境保护措施 40
10.2劳动保护与安全卫生 41
10.2.1编制依据及采用的技术规范 41
10.2.2工业安全卫生规程 41
10.2.3职业安全卫生防护的措施 42
10.2.4事故时抢救及应急措施 42
10.2.5防机械损伤及烫伤措施 42
10.3消防 43
10.3.1工程的消防环境 43
10.3.2工程的火灾区危险性类别 43
10.3.3消防设施和措施 43
11.技术经济分析与设计概算 43
11.1工厂成本产品成本概算 43
11.2设备的总投资概算 44
11.3经济技术分析 45
参考文献 45
致谢 46
附录 46

61
1.绪论
1.1项目建设的背景
1.1.1项目提出的依据
随着国民经济的持续高速发展和人民生活水平的提高，柠檬酸在饮料、食品和饲料工业中用量将以5%～10%速率递增；另外，对柠檬酸深加工产品开发和应用推广工作力度的加大，其应用范围将进一步扩展，并在其他行业中的使用份额也将增加；在国外随着对环保的呼声越来越高，柠檬酸在洗涤剂中所占份额增长较快，而我国目前代替三聚磷酸钠用于洗涤剂生产中的柠檬酸数量较小，相信随着我国环保法规的日趋严格和人们环保意识的增强，用柠檬酸替代对环境和水质有污染的三聚磷酸钠的数量逐年增加。目前美国人均消费柠檬酸为1千克/年，而我国人均消费仅为0.05千克/年，市场潜力巨大。
1.1.2投资的必要性
1) 柠檬酸用途广泛，市场容量大，市场前景好。
2) 公司是我国较早专业，生产柠檬酸的企业，积累丰富的生产和研发经验，培养了一批技术、管理骨干和熟练操作的员工。
3) 品牌优势，产品在国内外市场有一定知名度，有较稳定的市场和客户。
4) 区位、资源优势明显，有生产柠檬酸得天独厚的有利条件。
5) 盘活存量，热电结合，工程优化，可实现投资少，成本低，产品具有较强竞争力。
6) 强强联合、优势互补，做大规模，做优品质，具有很强的竞争优势，力争行业领先。
1.1.3研究范围及过程
本可行性研究针对年产10万吨柠檬酸的工艺计算选型方案、投资估算、全厂
概况等进行全面分析论证。
1.2市场需求预测
1.2.1国际市场分析
柠檬酸是目前用途最广泛的食品添加剂之一，在食品行业需求量非常大。据不完全统计，近几十年来，全球柠檬酸需求量一直在强劲增长。20世纪80年代初，全世界年产销量为20多万吨，现在已达120多万吨，20年间市场容量膨胀5倍。年平均增长率为5%以上，其中用于食品的占60%左右，工业用占40%。食品中用途最大的是清凉饮料，工业用主要在洗涤方面和电镀方面。展望后市，柠檬酸仍有很大发展空间，前景看好。近几年国外需求量呈上升趋势，尤其是亚洲经济发展较快的国家和地区柠檬酸进口量增长较高，如韩国、新加坡、泰国、台湾；发展中国家也随着人民生活水平的提高，饮料和食品工业发展较快，对柠檬酸需求量逐年增加，出口形势看好。我国柠檬酸原料来源丰富，又有世界上独特的发酵技术，工艺简单；随着ILCS新工艺和发酵废渣综合利用技术的推广应用和原料价格降低，我国柠檬酸在国际市场上的价格优势将更加突出。事实上，像柠檬酸这种工艺技术比较成熟、价格较低的产品，没有一定的规模很难有竞争力。今后我国企业要想长远发展，必须扩大规模，在调整中发展壮大。要抓住全球柠檬酸生产向中国转移的有利时机，形成几家年产规模达10万～20万吨的企业，争取占有更多的国际市场份额。
1.2.2国内市场分析
据初步统计，我国从20世纪60年代开始生产柠檬酸。近10年来，由于出口的刺激，我国柠檬酸的生产能力和产量增长很快。由1985年3.7万吨/年猛增到2002年42.7万吨/年。目前，我国柠檬酸的生产厂家有近百家，总生产能力约为50万吨/年，除西藏外，几乎每个省都建有柠檬酸生产装置。生产规模大多为1000-3000吨/年，年产量在5000吨以上的厂家有20几家，万吨级以上的有9家，全年正常生产的企业有30多家。生产厂家主要集中在安徽、江苏、山东等玉米和薯类资源丰富的地区。主要的生产厂家有安徽丰原生物化学集团公司（生产能力为15.0万吨/年）、江苏无锡罗氏中亚柠檬酸有限公司（生产能力为5.0万吨/年）、江苏宜兴协联生化有限公司（生产能力为3.0万吨/年）、安徽华源生物药业有限公司（生产能力为3万吨/年）、山东柠檬生化有限公司（生产能力为4万吨/年）、山东日照泰山洁晶生化有限公司（生产能力为4万吨/年）等；皖苏鲁柠檬酸产量约占全国产量75%。
近年来我国柠檬酸的出口量逐年上升，出口量一般占国内产量的80％以上，产品几乎销售到世界的每一个角落。从20世纪90年代起，出口量更是年年跃上新台阶， 1998年出口量为13.00万吨/年，1999年出口量为18.29万吨/年，2000年出口量为22.54万吨/年，2001年出口量为24.18万吨/年，2002年出口量为27.03 万吨，2003年33万吨，并以每年15% 速度增长。我国柠檬酸主要出口到美国、欧洲、日本以及东南亚市场。其中，每年出口到美国的柠檬酸有6万多吨，欧洲5万多吨，日本3万多吨。
我国柠檬酸年总产量居世界第一。近年来，由于我国大多数柠檬酸企业在质量、环保方面投入不足，多以低档含水柠檬酸竞相低价出口，遭遇多国反倾销投诉，目前已出现严重的供大于求的局面。因此抗风险能力较小的工厂纷纷停产，同时柠檬酸生产基础较好的工厂又在不断扩建，从而达到了一个新的平衡。目前柠檬酸价格也在多年下滑走低后趋于平稳，止跌渐升。
目前我国柠檬酸出口产品档次不高，难以达到美国药典标准（USP24），出口价格较低，比国际市场平均价低了20％～30％。随着国内柠檬酸生产技术不断成熟，发达国家的技术壁垒不断清除，发达国家正逐步退出柠檬酸市场。现正是国内柠檬酸生产厂家市场扩张的最好时机。
1.2.3市场销售与价格
总体来看，国内销售占总量30%，外贸公司20%，自营出口50%。国内市场主要客户有喜之郎、丽珠集团、大地集团等。自营出口地区主要为欧盟、韩国、台湾、土耳其、新加坡等。
2003年上半年，出口价格大幅下降，8月以后柠檬酸价格稳步上升。目前，国内食品级一水柠檬酸（BP93/ BP98）5800 - 6100元/吨；国际市场价格为USD640/MT（折合人民币5300元/吨）。无水柠檬酸（BP93）6700-7000元/吨，国际市场价格为USD700/MT（折合人民币6500 元/吨）。
预测近两年的价格为USD610/MT左右。根据企业的发展，逐步将销售结构调整为国内销售占总量20%，外贸公司5%，自营出口75%。
国内主流生产商一水柠檬酸2009年12月报价已达6500元/吨以上，较11月份涨幅超过1000元/吨，一家主要生产商无水柠檬酸报价7500元/吨。柠檬酸钠报价7000元/吨，均较前期有大幅上涨。
1.3厂区选择
1.3.1厂址的地理位置
本厂拟选定在淄博高新开发区。淄博位于山东中部鲁中山区与鲁北平原的交接地带，区位优势独特，南连泰山，北靠黄河，东临潍坊，西接泉城济南。淄博是山东省重要的交通枢纽城市，铁路贯通，公路纵横，交通方便，是国务院批准的山东半岛经济开放区城市。
淄博市地处暖温带，属湿润的温带季风气候，四季分明，雨热同期，景色优美，气候宜人。南部及东西两翼山峦跌宕，中部低陷向北倾伏，南北落差千余米。以胶济铁路为界，以南大部分为山区、丘陵，岩溶地貌发达；以北大部分为山前冲积平原和黄泛平原，土地平坦肥沃。
1.3.2工程地址基本情况
1) 气温
年平均气温 12.9℃
极端最高气温 41.2℃
极端最低气温 -22.5℃
最热月（七月）日最高气温平均值 31.1℃
最冷月（一月）日最低气温平均值 -8.4℃
2) 空气湿度
年平均相对湿度 66%
月平均最大相对湿度 81%
月平均最小相对湿度 56%
最热月（七月）日最高气温平均值 31.1℃
3) 大气压力
年平均气压 101.09kPa
月平均最大气压 102.12kPa
月平均最小气压 99.78kPa
极端最高气压 103.97kPa
极端最低气压 98.13kPa
4) 蒸发降雨量
年平均降雨量 640.5mm
5) 风力和风向
全年平均风速2.6～3.4米/秒，历年最多风向为西南风和西北风，其频率为12～15%
1.3.3交通状况
淄博高新区位于淄博市张店区北部，于1992年11月经国务院批准设立，是53家国家级高新区之一。地理位置优越，交通十分便利。
铁路：胶济铁路横贯东西，淄东铁路、张博铁路纵贯南北，中南部有铁路密集的张博铁路网，辛泰铁路南通泰安，与京沪铁路相连。
公路：205国道、309国道、济青高速公路和济青高速南线同滨莱高速公路在这里交汇，其中滨莱高速南接京沪高速公路，往北直通天津、北京。
空运：西距济南国际机场80公里，东距青岛国际机场210公里。
水运：距青岛港210公里、天津港320公里、日照港280公里。
在“十二五”期间，淄博市将启动建设城市轨道交通，积极论证规划支线机场，以公路、铁路干线建设为载体，加快构建综合交通体系，优化完善市域“二纵四横一支”铁路网，进一步完善市域“一环六纵十横”干线公路网；改造提升淄博火车站，新建张店高速客运站、临淄客运站和淄博北客运站，改建淄博公路联运站，逐步构建中心城区与次中心城区、中心镇与城区之间两个“半小时交通圈”。
综上所述，本项目的外部交通运输条件较好。
2.厂区平面设计
2.1总平面设计
Table 1 Plant construction area list
序号
建筑物
建筑面积（m2）
占地面积（m2）
1
动力站
20×10 = 200
200
2
原料库
30×35 = 1050
1050
3
成品库
18×50 =900
900
4
粉碎配料车间
10×20 = 400
400
5
发酵车间
36×76×3 = 8208
8208
6
提取车间
30×50×3 = 4500
4500
7
锅炉房
10×16 = 160
160
8
包装车间
18×33 = 594
594
9
半成品车间
27×33= 891
891
10
污水处理站
30×50= 1500
1500
11
活动中心
20×30×3 =1800
600
12
机修车间
15×40 = 600
600
13
职工餐厅
20×15×2 = 600
300
14
科研化验中心
20×25×3 = 1500
500
15
办公楼
15×50×4 = 3000
750
16
门卫2
5×8 = 40
40
17
门卫1
5×8 = 40
40

2.2设计说明书
2.2.1设计依据
在本设计中，柠檬酸全厂的布局参考了某公司的各个车间的布局。此基础上，又做了一定的修补，因为柠檬酸厂的厂区是上世纪建立的，布局以及各建筑的设计不尽合理，区的环境美化及工人的组织基本没有。作为一个面向现代化的柠檬酸工厂，在设计中厂区的交通，卫生，环境要求都比较高，各车间的布局要合理，便于生产的顺利进行，将生产区和办公大楼分开建设，一个完善而先进的污水处理站也是必需的。同时，还应该有职工活动中心等。具体布局见附图1。
2.2.2总平面设计说明
（1）厂区主要建筑物：原料库、成品库、办公楼、科研化验楼（兼菌种保藏中心）、餐厅、车库、门卫、锅炉房、机修车间、生产车间、成品车间、粉碎配料车间、污水处理池等。按照生产流程布置，并尽量缩短距离，避免物料的往返运输。对厂房的布置符合生产工艺的要求，既保证了生产过程的连续性，又使得整个厂区紧凑合理。
（2）办公楼在人流出口附近，距离车间较近，方便管理，又与物流避免交叉。
（3）绿化情况：厂区绿化以普通绿化与重点绿化相结合，沿厂区主入口的主要道路进行重点绿化，种植有观赏价值的乔、灌木与草皮结合，并且绿化部分遍植草皮，并适当点缀冬青灌木，以创造出一个美丽、怡人的厂区环境。
（4）厂区道路：厂区主干道为10m宽，非主要道路为8m宽，两旁种植悬铃木、榆叶梅等。
（5）厂区考虑到防火要求，各主要建筑物和易燃物附近均设有消防水龙头和灭火器。
2.3主要设计指标
表2 主要设计指标一览表

项目
数据
1
全长占地面积
600000m3
2
全厂建筑物占地面积
21233 m3
3
建筑系数
35%
4
绿化面积
159248 m3
5
绿化率
15%
6
土地利用系数
50%
3. 产品方案及工艺流程
3.1产品方案
本次生产工艺设计以薯干为原料，采用直接粉碎、调浆、液化，进行好气液体深层发酵，钙盐法提取，最后结晶、干燥得到柠檬酸。
年产柠檬酸10万吨,可根据市场开发新产品。
本柠檬酸项目按BP93/BP98标准生产，精制烘干包装车间拟按GMP标准设计，生产出高品质一水柠檬酸产品，进一步扩大市场分额，满足客户的需求。
3.2工艺流程
本次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，加入菌种和净化压缩空气后进行发酵；
发酵液经升温、过滤处理后，进入中和罐，用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，再添加H2SO4酸解，并加入活性炭进行脱色；
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。
成品柠檬酸

淀粉糖
净化
空气
菌种
种子
发酵
消泡剂
过滤
废渣处理
中和
钙盐
干燥
湿柠檬酸
纯水
分离
次品回溶
蒸发结品
过滤
废渣处理
酸解
酸液
活性炭
酸解液
离子交换处理
灭菌
配料
筛选

图1-1 柠檬酸生产工艺流程示意图
3.3操作工艺
3.3.1 原料的处理
根据发酵的要求，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。
3.3.2 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66小时(种罐约25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。
3.3.3 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，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[6]。
3.3.4 提取工段
由压滤工段送来的柠檬酸清醪液泵入中和罐，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[6]。
3.3.5 精制工段
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[6]。
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[6]。
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[6]。
4.工艺计算
4.1物料衡算
4.1.1工艺技术指标及基础数据
（1）生产规模：100000t/a99.5%一水柠檬酸折合成91625.44t/a99.5%无水柠檬酸；
（2）生产方法：外加耐高温α-淀粉酶液化，深层液体发酵，钙盐干法提取；
（3）生产天数：每年300天；
（4）食用99.5%无水柠檬酸日产量：91625.44÷300=305.42t，取整数为306t；
（5）食用99.5%无水柠檬酸年产量：306×300=91800t；
（6）产品质量：国际食用柠檬酸99.5%（质量分数），实际产率98%，副产品约占2%；
（7）薯干粉成分：含淀粉量 70%，水分13%；
（8）α-淀粉酶用量：8U/g原料；
（9）操作参数：淀粉糖转化率98.5%，糖酸转化率95%，提取阶段分离收率95%，精制阶段收率98%，倒罐率1%则其得率为；产酸率（即糖发酵液转化率）13%；发酵周期75h，发酵温度（351）℃，发酵通风量10V/(V发酵液·h)。
4.1.2原料消耗计算（基准：一吨成品柠檬酸）
年产10万吨一水柠檬酸，折合无水柠檬酸，按1995年5月，中国发酵工业协会柠檬酸分会制定的“柠檬酸行业统计办法”：
无水柠檬酸需要量为：100000÷1.0914=91625.44t/a
（1）生产无水柠檬酸的总化学反应式：

162 192
X 1000
（2）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需的理论淀粉消耗量：
X=1000×（162÷192）×99.5%=839.53 kg
（3）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际淀粉消耗量：
X÷(98.5%×95%×95%×98%×99%)=973.4kg
（4）生产1000kg99.5%无水柠檬酸所需实际薯干粉原料消耗量：
973.4÷70%=1390.57kg
（5）α-淀粉酶的消耗量：应用酶活力为20000u/g的α-淀粉酶使淀粉液化。α-淀粉酶用量按8u/g原料计算；有：
1390.57×103×8÷20000=0.56kg
4.1.3发酵醪量的计算
根据发酵液转化率为13%：
1000×99.5%÷（95%×98%×13%）=8221.1kg
4.1.4 接种量
接种量为发酵醪的10%，则：
8221.1×10%÷110%=747.37 kg
4.1.5 液化醪量计算
因为成熟蒸煮醪为：8221.1-747.37-0.56=7473.17kg
则调浆浓度为：1390.57×100%÷7473.17=18.6%
粉浆的干物质浓度为：973.4×100%÷7473.17=13.03%
蒸煮直接蒸汽加热,采用连续液化工艺:
操作流程:
1.混合后粉浆温度为50℃，应用喷射液化器迅速使粉浆升温至100℃。升温后进入维持罐，使料液保温20～30min以完成液化，进蒸汽压力保持在0.3～0.4MPa表压。
2.液化完成的醪液由板式换热器降温至35+1℃备用。
3.调浆及液化灭菌时产生的泡沫可用少量泡敌消泡。
工艺计算:
干物质含量B0=70%的薯干原料比热容为:
C0=4.18×(1-0.7 B0)=2.13kJ/(kg·K)
粉浆的干物质浓度为B1=13.03%
液化醪的比热容为：C1=B1C0+(1.0- B1)Cw
=13.03%×2.13+(1.0-13.03%)×4.18
=3.91kJ/(kg·K)
Cw-水的比热容取4.18kJ/(kg·K)
为简化计算，定液化醪的比热容在整个过程中维持不变.
经喷射液化器前的液化醪量为X:
X+X×3.92×(100-50)÷(2731.2-100×4.18)=7473.17(kg)
解得X=6887.7（kg）
其中2731.2-喷射液化器加热蒸汽0.3MPa的焓
4.1.6 成品柠檬酸
日产柠檬酸量为：91625.44÷300=305.42 t/d
即结晶液中柠檬酸的含量为：305.42 t/d
需精制液中柠檬酸含量为：305.42÷98%=311.7t/d
需分离液中柠檬酸的含量为：305.42÷（95%×98%）=328.06t/d
4.1.7淀粉质原料年产10万吨一水柠檬酸厂总物料衡算
即对生产91625.44t/a99.5%无水柠檬酸的薯干原料柠檬酸厂进行计算。
（1）柠檬酸成品
日产食用99.5% 无水柠檬酸量为305.42t，取整数为306t
日产副产品为：306×2÷98=6.24t
则日产总量为：312.24t
实际年产量为：食用柠檬酸量为：306×300=91800t/a
副产物为：6.24×300=1872 t/a
总产量为：93672 t/a
（2）主要原料薯干用量
日耗量：1390.57×10－3×312.24=434.19t
年耗量：434.19×300=130257t
（3）根据以上计算，将物料衡算结果列于表3-1。

表3-１ 100000t/a料柠檬酸厂物料衡算表
物料名称
每吨产品耗物量
（kg）
年产10万吨耗物量
每天（t/d） 每年(t/a)
食用柠檬酸
980
306
91800
副产品
20
6.24
1872
薯干原料
1390.57
434.19
130257
淀粉
973.4
303.93
91179
α-淀粉酶
0.56
0.17
51
发酵醪
8221.1
2566.96
770087
接种量
747.37
233.36
70008
成熟蒸煮醪
7473.17
2333.42
700026
薯干浆量
19806.17
6184.27
1855280

4.2热量衡算
4.2.1液化热平衡计算
喷射加热器耗热
喷射加热初温t1=50℃加热后t2=100℃
醪液的比热容为C1 =3.91kJ/(kg·℃)
由工艺可知:
经过喷射加热器温度由t1=50℃升温至t2=100℃
Q= C1×G醪液(100-50)
=3.91×19806.17×(100-50)
=3872106.2 kJ
4.2.2发酵过程中的蒸汽耗量的计算
（1）蒸汽用量的计算公式
整个生产过程采用蒸汽加热，
蒸汽耗用量计算公式为：
式中：η——为蒸汽的热效率，取；
I——汽化潜热。
（2）基础数据
在28下，查得：淀粉的比热容为1.55
水的比热容为4.174
加热蒸汽的热焓为2549.5
加热蒸汽的冷凝水的热焓为1250.60
由前面的计算可知，日耗薯干粉量为434.19t/d
日耗淀粉量为303.93t/d
日耗薯干浆量为2333.42t/d
则日耗调浆用水量为：2333.42-434.19=1899.23 t/d
日耗淀粉浆量为：303.93+1899.23=2203.16 t/d
淀粉浆中含水量为：（1899.23÷2203.16）×100%=86.2%
淀粉浓度为：（303.93÷2203.16）×100%=13.8%
由此可算得淀粉浆的比热容为：
C=C淀粉×X+C水×Y=1.55×13.8%+4.174×86.2%=3.8
式中：X——淀粉浓度，13.8%
Y——水浓度，86.2%
（3）生产过程中蒸汽耗量的计算
①培养基灭菌及管道灭菌：
培养基采取连消塔连续灭菌，进塔温90℃，灭菌130℃
则灭菌用蒸汽量：
每罐的初始体积为180 m3，初糖浓度是13g/100ml，灭菌前培养基含糖量19%。
其数量为：180×13%÷19%=123.16t
灭菌加热过程中用0.3MPa，蒸汽（表压）I=2725.3kJ/kg，由维持罐（90℃），进入连消塔加热至130℃，糖液比热容3.69。
每罐灭菌时间3h，输料流量123.16÷3=41.05 t/h，
消毒灭菌用蒸汽量：
D=41050×3.69×(130-90)÷[(2725.3-130×4.18) ×95%]=2923kg/h=2.92t/h；
每天培养基灭菌用蒸汽量：2.92×3×4=35.04 t/d；
所有用罐空罐灭菌及相关管道灭菌用蒸汽量，据经验取培养基灭菌用蒸汽量的10%，则：D1=35.04×10%=3.5t/d。
②.加热发酵醪所用的蒸汽量D6：
柠檬酸水溶液的比热容可按下式近似计算：
C=(0.99-0.66ω+0.0010t) ×4.16
式中：0.99——比热容kJ/kg·℃
ω——柠檬酸质量分数，ω=（312.24÷2566.96）×100%=12.2%
t ——温度，℃
代入上式，得：
C=（0.99-0.66×12.2%+0.0010×35）×4.19=3.96
那么由此可得D6为：
D6= GC(t1-t2)/(I-λ)η=2566.96×3.96×（85-35）÷（2549.5-1250.60）×95%
=411.89t/d=123567t/a
（4）将发酵段蒸汽衡算列于表3-2。

表3-2 发酵车间蒸汽衡算
生产
工序
日用蒸汽量
(t/d)
平均蒸汽用量
(t/h)
年用蒸汽量
（t/a）
培养基灭菌
35.04
2.92
10512
加热发酵醪
411.89
17.16
123567
空罐灭菌
3.50
0.15
1050
合计
450.43
20.23
135129

4.2.3发酵过程中的冷却水耗量计算
已知发酵过程中的发酵热为4.18×6000 kJ/m3·h，200 m3的发酵罐一般装料量为180 m3（填充系数为0.9），则
=
=83077kg/h=1993.848t/d=598154.4t/a
已知25 m3的种子罐（填充系数0.7），装料量为17.5 m3
W种子=4.18×6000×17.5÷[4.18×(28-15)]=8077kg/h=193.85t/d=58155t/d
将发酵段水衡算列入表3-3。

表3-3 发酵车间冷却水衡算表
生产
工序
平均耗水量
(t/h)
日耗水量
(t/d)
年耗水量
(t/a)
发酵罐用水
1993.848
83077
598154.4
种子罐用水
193.85
8077
58155
合计
2187.7
91154
656309.4

4.2.4发酵过程中的无菌空气耗用量的计算
（1）单罐发酵罐用无菌空气量：
根据无菌空气用量的计算公式：
V=发酵罐体积×通气速率×填充系数
已知：发酵罐体积为200 m3
通气速率为0.18vvm
填充系数为60%
则：V=200×0.18×60%=21.6 m3/h
（2）单个种子罐用无菌空气量：
取种子罐的空气消耗量为发酵过程空气耗量的25%,
则: V=25%V=25%×21.6=5.4 m3/h
（3）将发酵车间蒸汽衡算列入表3.4。
表3-4 发酵车间无菌空气用量衡算表
设备
名称
单罐每小时用气量(m3/h)
单罐每日用
气量(m3/d)
每罐每年用
气量(m3/a)
年总用
气量m3/a
发酵罐
21.6
518.4
155520
6220800
种子罐
5.4
129.6
38880
1555200
总用量
27
648
194400
7776000
5.糖化车间设备设计与选型
以薯干为原料生产柠檬酸是我国特有的柠檬酸粗料发酵工艺，原料预处理设备可全部采用国产定型的粮食及饲料处理机械，生产过程简单、处理成本低、设备投资省。
5.1调浆桶的选型
(1)已知薯干浆的流量为G=26.9kg/h,即V=G÷ρ=26.9÷1.66=16.20m3/h。设料液滞留时间为30min。
V有效=Vτ(m3)
V有效-设备有效容积
V-流量
τ-滞留时间
V有效=(16.20÷60)×30=8.1m3
(2)设备数量的计算
n=V有效÷(φV单)
V单-单台设备容积(m3