熱門關鍵詞： 年產100噸檸檬酸的發酵工藝設計
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- 年產100噸檸檬酸的發酵工藝設計本設計采用薯干原料發酵，只需將薯干磨成粉，加水調漿，直接加入少量α－淀粉酶液化后滅菌、冷卻即可接種發酵。制備檸檬酸一般采用曬干的薯干作為原料。其中薯干含水10%-15%、淀粉70%左右、蛋白質6%左右。薯干原料中的蛋白質可作為氮源供菌體生長。薯干原料中含有鐵、鎂、鉀、鈣等的無機鹽，選用的黑曲霉C0527對這些成分不敏感,故不必對原料做這方面的預處理。本設計采用液體深層好氧發酵、鈣鹽法提取技術生產檸檬酸。這兩種方法都是國內比較流行的生產方法，有著大量的實際經驗，易于操作，風險小。
由于本設計為糖化、發酵車間的設計，著重于這兩個車間的工藝計算、設備選型。通過全廠物料衡算、車間熱量衡算，確定糖化、發酵車間主要設備發酵罐、種子罐、車間管道的設計和選型。
本設計還包括發酵罐，工藝流程圖，全場平面布局圖。
關鍵詞：薯干 深層好氧發酵 黑曲霉 檸檬酸 設備設計和選型。
1 引言
檸檬酸，學名為2-羥基-丙烷三羧酸，結構式為：
OH
│
HOOC─CH2─C─CH2─COOH 。檸檬酸在自然界中分布很廣，主要存在于檸檬、
┃
COOH柑橘等。我國檸檬酸生產成本較低，在國際市場上具有較強的競爭力。近年來我國檸檬酸的年出口量一直保持在10萬噸以上。
隨著水產養殖業的發展，有機酸在人工飼料中的應用越來越廣泛。檸檬酸具有無毒害、無殘留等優點，對水產動物可以起到促進礦物質吸收、提高飼料利用率的作用，因而在水產養殖中得到了較為廣泛的應用。
對檸檬酸的研究概況檸檬酸又名枸櫞酸，是一種似砂糖的白色結晶體，呈檸檬型酸味。它以玉米為主要原料，經過發酵等一系列化學工藝提取精制而成，所得產品主要為無水或帶一份結晶水的檸檬酸。檸檬酸具有令人愉快的酸味，口感爽快，無后酸味，安全無毒，在水中的溶解度極高，能被生物體直接吸收代謝。國內外大量的研究證明，檸檬酸作為飼料酸化劑是添加效果最好的。
檸檬酸的生物代謝功能檸檬酸是機體能量代謝的中間產物，有重要的生理、化學功能，它是乙酰COA合成脂肪過程中的重要介質，也是線粒體中構成時吸鏈的重要物質之一，可以調節CAMP活性，參與機體能量、結構和酶保障等一系列重要反應。工業生產中主要用黑曲霉作為生產菌，采用液體通風發酵生產檸檬酸。黑曲霉發酵檸檬酸的機制為：葡萄糖首先通過EMP和HMP途徑得到磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸，然后經過一個不完整的三羧酸循環（TCA）達到檸檬酸的積累。該生產工藝和設備具有很強的典型性，本文對黑曲霉發酵檸檬酸生產工藝及主要設備作簡要介紹，本設計還包括發酵罐，工藝流程圖。 以期有助于了解好氧發酵工藝和主要設備的相關知識。
設計內容為，了解檸檬酸生產中的原料預處理、發酵、提取部分的生產方法和生產流程，根據實際情況來選擇發酵工段合適的生產流程，并對流程中的原料進行物料衡算、熱量衡算及設備的選擇。最后，畫出發酵工段的工藝流程圖和平面布置圖。
由于我的知識有限，加之對先進設計的了解甚少，設計中有不足的地方敬請各位老師和同學批評指正。
2 生產工藝概述
2.1 工藝條件的確定
2.1.1 檸檬酸的生物合成
檸檬酸產生菌黑曲霉在生長期和產酸期都存在著EMP和HMP代謝．說明葡萄糖的降解是通過兩條途徑共同完成的。但是，在生長期EMP：HMP為2：1，而產酸期兩者的比例為4：1，即產酸期有80％的葡萄糖是通過EMP代謝的。這是因為在生長期需要通過HMP提供合成核糖等所需的前體物質，產酸期葡萄糖主要通過EMP降解，對檸檬酸的發酵生產是非常重要的。因為1mol葡萄糖經EMP降解可得到2mol丙酮酸，再經脫羧和Ｃ02固定后，可使1mol葡萄糖合成1mol檸檬酸，這樣就能獲得較高的糖酸轉化率(以質量計，葡萄糖合成檸檬酸的理論轉化率為l06.7％，對—水檸檬酸的理論轉化率為116.7％)。
在檸檬酸積累的條件下，TＣA循環已被阻斷。因此，合成檸檬酸所需的草酰乙酸必須由含二碳的羧酸來提供。已知丙酮酸（PYR）和磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）均能經催化作用固定CO2而形成草酰乙酸。
經證實，在黑曲霉產檸檬酸階段主要是通過丙酮酸羧化酶的催化作用，使丙酮酸固定CO2而形成草酰乙酸。
圖1 黑曲霉產檸檬酸途徑
2.1.2 檸檬酸生產菌種
很多微生物都能生產檸檬酸,例如:黑曲霉,棒曲霉,文氏曲霉,泡盛曲霉,芬曲霉,丁烯二酸曲霉,淡黃青霉,桔青霉等,以及假絲酵母屬中的一些種。
至今世界上消費的檸檬酸主要采用發酵法生產,而最具優勢的是黑曲霉和解脂假絲酵母等菌種的深層發酵法.在現代,糖質原料發酵使用黑曲霉,因為它的檸檬酸產量最高,且能利用多樣化的碳源. 所以本設計擬采用黑曲霉G23-4菌種作為生產用菌種。
2.1.3 檸檬酸生產原料
Ⅰ糖類：
a薯類：甘薯 木薯 馬鈴薯 甘薯干 木薯干 馬鈴薯干 薯渣
b谷類：玉米 小麥或小麥面粉 大米
c淀粉：各種谷類薯類加工成的淀粉
d砂糖：白砂糖 赤砂糖 糖蜜
e淀粉糖：由淀粉水解而得到的各種單糖 雙糖 糊精 葡萄糖母液
Ⅱ正烷烴
液體石蠟：10-20碳鏈的餾出物
Ⅲ其他果實下腳料：葡萄、菠蘿、柑橘、蘋果等果實加工的殘渣糧食加工下腳料: 各種糧食加工的下腳料。凡是能通過微生物代謝而產生檸檬酸的物質,都可以作為發酵檸檬酸的原料。但從工業成本考慮，多采用廉價符合要求的原料。一般工業選擇原料的標準如下：
a原料中可利用成分高，無抑制檸檬酸生產菌生長和產酸的物質極少。或容易除去，能滿足工藝要求。
b能就近取材，原料來源豐富，便于采購、運輸、適于大量儲存，保證生產上的供應。
c原料成分對產品的提取、精制無影響。
d價格便宜。
由于黑曲霉使用糖質原料，檸檬酸產量最高。目前，一般使用甘薯、木薯、馬鈴薯、玉米等。本設計將以薯干作為生產用原料。
2.2 操作工藝概述
2.2.1 原料的處理工序
根據發酵的要求，對薯干原料，采用直接粉碎、磨粉、調漿、液化、連續滅菌的處理方法；以薯干原料生產時，根據我國薯干粗料的特征，發酵工藝要求將薯干從平倉運至備料車間，經過磁選裝置除去原料中含鐵雜質，以保護設備。然后進入粗粉碎機，將薯干先軋成1—3cm 大小的小塊，以提高磨粉機的效率，便于物料的輸送。粗碎后，由斗式提升機提送至中間粉倉，由粉倉落入磨粉機粉碎，粉碎后進入粉倉再經計量送至配料罐。配料罐內加水調漿，同時加入淀粉酶升溫液化。液化完成后送至連消裝置連續滅菌，再送至發酵車間。
2.2.2發酵工序
由備料車間提供的經連續滅菌并冷卻的料液，通過滅菌管道泵入已空消滅菌待料的發酵罐(或種子罐)，通過差壓法或零磅火焰倒種法，接入已培養好的檸檬酸菌種，在通風、攪拌情況下，進行發酵或培養。在發酵培養過程中，對罐溫、罐壓、通風量、攪拌轉速等實行連續記錄監控，并定期檢測原糖消耗情況、菌種生長狀態、pH值、泡沫等變化情況。根據發酵的工藝特性要求，及時調整控制發酵工藝過程，以獲得最佳工藝產酸率或種罐菌種活力，一般經66小時(種罐約25小時) 培養，大罐在殘糖指標、產酸情況達到放罐條件即可放罐；種罐菌種活力及菌群數量達標后，即可移種。在發酵或培種過程的定期檢測中，若發現異常情況，如染菌等，應針對具體情況及時處理，對中、前期染菌，可加大種量形成主菌群生長優勢，或及時罐實消，補入適當營養源重新接種發酵；后期時可加強監控，提前放罐；對倒罐等應予滅菌排放處理，并認真查找原因，進一步強化滅菌操作中的各個環節。
2.2.3醪液處理工序
檸檬酸發酵完成后，應即時進行熱處理，以滅活發酵，絮凝蛋白、提高收率，為提高設備利用率，增設醪液貯罐，通過熱交換器，及時將醪液加熱至80℃后進入醪液熱貯罐，再經泵壓入過濾機，除掉固形物及菌體殘渣，將清醪液泵入下道工序。
成熟的檸檬酸發酵醪中，除含有主產物檸檬酸之外，還含有纖維素、菌體、有機雜酸、糖、蛋白類膠體物質、色素、礦物質及其他代謝產物等雜質，它們或來自發酵原料、或在發酵過程中生產，它們或溶存或懸浮于發酵醪中。通過各種理化方法，清除這些雜質，得到符合各級質量標準的檸檬酸產品的全過程，即為檸檬酸生產的下游工程。它是一個確保產物“豐收”，提高企業效益的生產系統工程。
2.2.4提取工段
檸檬酸提取方法
Ⅰ鈣鹽離子交換工藝：其理論依據是將CaCO3或Ca (OH)2 加入發酵清液中,形成檸檬酸鈣沉淀,然后將此沉淀與濃硫酸反應,形成硫酸鈣沉淀,析出檸檬酸溶液,再經過離子交換及濃縮結晶后,便可以得到檸檬酸晶體，此法工藝成熟、原材料易得、操作方便、產品質量穩定，而且總收率也較高。
Ⅱ液-液萃取工藝：用有機溶劑做萃取劑，將水溶液中的主要產物萃取到有機相中富集，其他雜質留存于萃余相中被棄去，然后用純水從有機相中將主要產物反萃取到水相中富集，從而得到較純的產物。國內的萃取工藝和設備不夠完善、反萃取水相檸檬酸濃度太低、萃余液的出路未做深入研究、產品毒性問題。
Ⅲ全離子交換法提取工藝：檸檬酸是α-羥基三羧酸，在水中很容易解離成H+和H2Ci-、HCi2-、Ci3-離子，故可利用陰離子交換樹脂從檸檬酸發酵液中分離檸檬酸。這種方法的優點是方法簡便，設備較少，勞動強度不大。 但在陰離子交換中，部分陰離子會和檸檬酸根離子一起進行交換、洗脫下來，影響成品質量。
Ⅳ電滲析提取工藝：電滲析是一種膜技術。它是在離子交換樹脂基礎上發展起來的新技術，可用于化工產品的分離、提純、濃縮和物質的回收。該法能耗大，極板上的污垢容易堆積,給操作帶來很大的不便。
Ⅴ連續離子交換法提取工藝：它是一種完全革新的分離工藝技術，不同于傳統的固定床（Fixed Bed）、脈沖床（Pulse Bed等工藝。它是在傳統的固定床樹脂吸附和離子交換工藝的基礎上結合連續逆流系統技術優勢開發而成。
Ⅵ 色譜分離（ILCS）工藝：基本原理是基于離子交換樹脂自身的轉換，使用單一離子交換樹脂為固相離子交換劑。該法收率高，但成本較高，較少采用。
綜上所述，本設計采用鈣鹽離子交換工藝來提取檸檬酸。
圖2檸檬酸提取工藝流程
2.2.5精制工段
離子交換與脫色:檸檬酸液從暫貯灌中泵送離交純化工序，經由陽離于交換塔，陰離子交換塔和活性炭脫色塔，離交脫色除去色澤及影響成品質量加速設備腐蝕的陰陽離子，陰陽樹脂需經過酸洗、堿洗再生處理，離交后的檸檬酸精制母液送入蒸發工序。
蒸發與結晶:在提純溶液進入蒸發部分前，通過精過濾器除去清液中的微小樹脂顆粒。精濾后的溶液經熱交換器預熱后送至雙效真空濃縮器經濃縮至特定濃度后，轉入真空結晶器，或者低溫結晶器進行結晶。以確定產品(一水產品或無水產品)，再經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母液貯罐，根據其雜質離交濃度情況，送往重新蒸發式回流到前工序處理提純，晶體送往干燥機。
干燥與包裝:從離心機分離出來的濕檸檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根據生產品種控制干燥空氣、溫度及冷卻空氣量進行干燥，排空經濕式旋風分離器處理排放，干燥后的檸檬酸晶粒通過傳送裝置運到篩選機，不合格顆粒被篩分出來，溶解后返回到結晶系統，檸檬酸成品進行定量、包裝，存放。
圖3 檸檬酸精提取的工藝流程
2.3工藝流程
本次生產工藝的基本過程是：原料 (薯干或玉米)—→粉碎—→液化—→發酵—→過濾—→中和—→分離—→檸檬酸鈣—→酸解—→分離—→脫色—→離子交換—→減壓濃縮 —→結晶—→分離—→檸檬酸結晶—→干燥—→成品
① 在接收糖漿后，根據糖漿組成作適當的處理或配制，配成發酵原料，進行連續滅菌并冷卻后，進入發酵罐，加入菌種和凈化壓縮空氣后進行發酵；
② 發酵液經升溫、過濾處理后，進入中和罐，用CaCO3中和處理；
③ 再經過過濾洗滌，得到檸檬酸鈣固體，送入酸解罐，再添加H2SO4酸解，并加入活性炭進行脫色；
④ 然后，通過帶式過濾機過濾、酸解過濾，除去CaSO4及廢炭；
⑤ 酸解過濾液經離子交換處理后，進行蒸發、濃縮，再進行結晶；
⑥ 結晶后，用離心機進行固液分離，對得到的濕檸檬酸晶體進行干燥與篩選，最后得到成品的檸檬酸。
圖4 工藝流程圖
3糖化工藝概述
采用淀粉質原料生產檸檬酸，黑曲霉不能直接利用薯干原料。只能將其糊化、糖化為葡萄糖，方能供發酵生產用。
3.1液化的方法及選擇
Ⅰ酸法：以強酸為催化劑，高溫、高壓條件下進行，液化程度較難掌握
Ⅱ機械液化：破壞淀粉顆粒表面和結晶結構
Ⅲ酶法：用α-淀粉酶，在中性溶液，常溫、常壓條件下進行，液化程度容易掌握。此法適應于檸檬酸工業。其方法按工藝條件分：有間歇液化法（直接升溫液化法）、半連續液化法（高溫液化法） 、連續液化法 （噴射液化法）；按設備條件分：罐式、管式、噴射式；按加酶方式分：一次、二次、三次加酶多段液化工藝。本設計擬采用連續液化法
3.2檸檬酸的噴射液化工藝
Ⅰ噴射液化
噴射液化是在噴射器中進行瞬間液化,高壓蒸汽通過噴嘴，使噴射器的內腔形成真空，混有α-淀粉酶的淀粉乳，在此力的引吸下，呈薄膜狀進入噴射器內腔，隨即與蒸汽混合形成湍流，料溫驟升至100-120℃，瞬間完成了糊化、液化、淀粉糊粘度迅速下降，形成流體從噴射器下部出料口排至保溫系統，恒溫90℃維持30-60分鐘，達到需要的液化溫度。
此法的優點是液化均勻完全、已切斷的淀粉連不易重新聚合、蛋白質類雜質凝固好，過濾性能佳、設備體積小、可連續化操縱、噴射液化最適合用耐高溫α-淀粉酶。但這類噴射器，要求在穩定的0.4-0.6MPa的飽和蒸汽條件下操作。
Ⅱ工藝流程
稀石灰水
↓
薯干→浸泡→粉碎→原漿→調漿PH值6.4～7.0 →一次噴射液化溫度為95℃～97℃ →層流→二次噴射液化溫度為140℃～145℃ →閃冷→中溫液化溫度在90℃左右→調節PH 4.8～5.2 →過濾去稀HCl或稀H2SO4。
Ⅲ工藝操作
用溫水將薯干調成漿乳，加稀石灰水調整pH至6.4-7.0，加需要酶量的2/3，備用。通蒸汽進噴射器、保溫系統，待出口溫度達90℃以上時，打開漿料回流閥，開始將漿料泵入噴射器進行液化，出料口溫度達到95-97℃時，關小回流閥，料液進入層流罐，在90-95℃條件下，維持30-60分鐘，然后進行二次噴射，料溫達到140-145℃，進入維持罐維持3-5分鐘后，經閃冷器迅速降溫后落入二次液化罐中，加余下的1/3淀粉酶，在90 ℃左右維持30分鐘，碘檢查無藍色反應，然后用稀酸調pH至4.8-5.2，趁熱過濾去渣。調整好氮源之后，經連消或實消后發酵。
4發酵工藝概述
4.1菌種的擴大培養
菌種的擴大培養是檸檬酸發酵工藝所要求的。其目的是以少量的檸檬酸產生菌原種開始，經過幾代繁殖培養，以獲得足夠數量的純的（無雜菌感染）活力強的菌種培養物供發酵生產接種之用。黑曲霉檸檬酸發酵的接種物是黑曲霉分生孢子，所以這一過程又稱為干孢子生產。接種質量的好壞是檸檬酸發酵成敗的關鍵。對孢子質量的要求是：形態整齊均一，無雜菌污染，發芽率高，發芽后生長速度適當，產酸活力高，無老化現象。
擴大培養：原始菌種→試管斜面→麩曲菌種→種子罐
4.2培養基的滅菌
滅菌要求是，恰當掌握滅菌的溫度和時間，達到既能殺死培養基中的各種微生物，又要最大限度地保持其中的營養成分。
目前發酵工業液體發酵培養基的滅菌方法仍然采用濕熱蒸汽滅菌。蒸汽易獲得，溫度高、冷卻時放出大量潛熱而導致細菌芽孢死亡，是一種既簡單又價廉的有效滅菌方法。其滅菌的方式分為間歇式（實消）與連續式（連消）。
Ⅰ間歇式：操作簡單，不需其它設備，但由于中間時間長，因而設備利用率低，培養基中的營養成分易受破壞。
Ⅱ連續式：設備操作相對復雜，但事實上設備一直處于相對較熱和穩定的溫度，熱利用率較高，培養基升溫快，加熱時間短，營養成分受破壞少，無死角，滅菌效果好適用于大量培養基的滅菌
故本設計，發酵罐采用連消，種子罐采用實消。
4.3曲霉檸檬酸發酵條件控制
4.3.1營養要求
黑曲霉檸檬酸生產菌是化能異養微生物，只能利用有機碳源；要是黑曲霉檸檬酸產生
菌大量生成和積累檸檬酸，必須控制營養物質的供給，使菌體生長受限制，處于半“饑餓”和代謝失調狀態。從檸檬酸生產角度看，葡萄糖、蔗糖、糊精是良好的碳源，工業上為降低生產成本，多采用廉價的甘薯、玉米、小麥及其淀粉、糖蜜等。
高糖濃度是檸檬酸發酵的一大特征。黑曲霉偏好生理酸性無機氮，這是因為生理酸性氮中的銨離子被利用后，使培養基變酸，可以使發酵中的黑曲霉生長階段結束，進入產酸階段，PH下降到較低水平有利于檸檬酸的積累；
無機鹽是構成微生物生命活動不可缺少的物質。在檸檬酸發酵中，有的構成菌體，有的促進代謝，有的促進產酸等，因此對黑曲霉的生長和檸檬酸發酵具有重要的作用。
附表1 國外黑曲霉檸檬酸生產菌的培養基
培養基組成 生孢培養基/(g/L) 發酵培養基/(g/L)
蔗糖
瓊脂
硝酸銨
磷酸二氫鉀
MgSO4•7H2O
Cu2+
Cu2+
Fe2+
Mn2+ 140
20
2.5
1.0
0.25
0.00048
0.0038
0.0022
0.001 140
0
2.5
2.5
0.25
0.00006
0.00025
0.0013
0.001
附表2 國內黑曲霉檸檬酸生產菌的培養基
培養基組成 生孢培養基 發酵培養基
（1）斜面培養基
麥芽汁
蔗糖
瓊脂
（2）麩曲培養基
麥麩
（3）薯干粉
（4）玉米液化液(總糖)
NH4NO3
10～120Bx
2%
2%
約70g濕麩皮/1000mL瓶
16% ～20%
13% ～14%
4% ～5%
4.3.2溫度控制
黑曲霉屬嗜熱微生物，一般認為，深層液體發酵中，溫度低于28℃，導致長菌和產酸緩慢；高于37℃，導致菌體和雜酸形成過量，呼吸作用加強，影響糖酸轉化率。故最適生長溫度為33～37℃。
4.3.3 PH控制
黑曲霉檸檬酸生產菌生長發育適宜pH3~7。其菌種生長期pH維持在4.5；檸檬酸積累時，產酸期的最適pH為2.0~3.0.pH3.0以上容易產生草酸，5.0容易生成葡萄糖酸，3.0以下是檸檬酸積累的條件。
4.3.4 接種量和接種方式
接種量：直接決定于進入培養系統的孢子數量。在一定范圍內，孢子接種量與產酸數量成正比，隨著孢子接種量的增加，檸檬酸產率也提高。
接種方式：采用孢子接種比菌絲接種效果好。因為采用孢子接種：a培養液中孢子數與接進種子罐的孢子相同；b條件出現異常時，孢子比菌球體更能適應；c較幼的種齡，前期產酸稍慢，培養基PH>3.0的時間延長，有利淀粉的充分糖化，后期產酸較快，后勁較足，則殘糖較低；d次接種操作也就減少一次染菌機會，同時節約了相應設備的投資及能耗。
4.3.5溶解氧的控制
黑曲霉檸檬酸生產菌是嚴格的好氧微生物，不管生長、繁殖、還是產酸均需要氧。菌體生長過程呼吸作用消耗大量氧氣，當菌體生長接近對數生長期時，需要氧達到最高峰，隨后菌體生長緩慢，進入產酸期，氧的消耗率降低，并持續到發酵終了。
4.3.6泡沫的控制
發酵過程中會產生大量泡沫，可能導致跑液或染菌。故可用甘油聚醚等消泡劑消泡，也采用機械消泡。機械消泡是借助機械力將泡打碎或借壓力使泡沫破裂，其優點是不用在發酵液中加入其它物質，節省原料，減少染菌機會，缺點是不能從根本上消除引起穩定泡沫的因素，消泡效果不如化學消泡劑迅速可靠，需要一定的設備和動力。
化學消泡劑迅速可靠，用量少，效率高，故本設計選用化學消泡劑進行消泡。
5 生產工藝計算
5.1物料衡算
5.1.1工藝技術指標及基礎數據
（1）生產規模：100t/a 99.5%一水檸檬酸折合成91.625t/a 99.5%無水檸檬酸；
（2）生產方法：外加耐高溫α-淀粉酶液化，深層液體發酵，鈣鹽干法提取；
（3）生產天數：每年300天；
（4）食用99.5%無水檸檬酸日產量：91.625÷300=0.305t，
（5）食用99.5%無水檸檬酸年產量：0.305×300=91.5t；取整數為92t
（6）產品質量：國際食用檸檬酸99.5%（質量分數），實際產率98%，副產品約占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）無水氯化鈣用量0.1%
（10）碳酸鈉用量0.15%
（11）操作參數：淀粉糖轉化率98.5%，糖酸轉化率95%，提取階段分離收率95%，精制階段收率98%，倒罐率1%則其得率為 ；產酸率（即糖發酵液轉化率）13%；發酵周期75h，發酵溫度（35 1）℃，發酵通風量10 V/(V發酵液·h)。
5.1.2原料消耗計算（基準：一噸成品檸檬酸）
年產100噸一水檸檬酸，折合無水檸檬酸，按1995年5月，中國發酵工業協會檸檬酸分會制定的“檸檬酸行業統計辦法”：
無水檸檬酸需要量為：100÷1.0914=91.625 t/a
（1）生產無水檸檬酸的總化學反應式：
162 192
X 1000
（2）生產1000kg99.5%無水檸檬酸所需的理論淀粉消耗量：
X=1000×（162÷192）×99.5%=839.53 kg
（3）生產1000kg99.5%無水檸檬酸所需實際淀粉消耗量：
X÷(98.5%×95%×95%×98%×99%)=973.4kg
（4）生產1000kg99.5%無水檸檬酸所需實際薯干粉原料消耗量：
973.4÷70%=1390.57kg
（5）α-淀粉酶的消耗量：應用酶活力為20000u/g的α-淀粉酶使淀粉液化。α-淀粉酶用量按8u/g原料計算；有：
1390.57×103×8÷20000=0.56kg
5.1.3發酵醪量及接種量的計算
根據發酵液轉化率為13%：
1000×99.5%÷（95%×98%×13%）=8221.1kg
接種量為發酵醪的10%，則：
8221.1×10%÷110%=747.37 kg
5.1.4液化醪量計算
因為成熟蒸煮醪為：8221.1-747.37-0.56=7473.17kg
則調漿濃度為：1390.57×100%÷7473.17=18.6%
粉漿的干物質濃度為：973.4×100%÷7473.17=13.03%
蒸煮直接蒸汽加熱,采用連續液化工藝:
操作流程:
(1) 混合后粉漿溫度為50℃，應用噴射液化器迅速使粉漿升溫至100℃。升溫后進入維持罐，使料液保溫20～30min以完成液化，進蒸汽壓力保持在0.3～0.4MPa表壓。
(2) 液化完成的醪液由板式換熱器降溫至35 1℃備用。
(3) 調漿及液化滅菌時產生的泡沫可用少量泡敵消泡。
工藝計算:
干物質含量B0=70%的薯干原料比熱容為:
C0=4.18×(1-0.7 B0)=2.13kJ/(kg•K)
粉漿的干物質濃度為B1=13.03%
液化醪的比熱容為：C1=B1C0+(1.0- B1)Cw
=13.03%×2.13+(1.0-13.03%)×4.18
=3.91kJ/(kg•K)
Cw-水的比熱容取4.18kJ/(kg•K)
為簡化計算，定液化醪的比熱容在整個過程中維持不變.
經噴射液化器前的液化醪量為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-噴射液化器加熱蒸汽0.3MPa的焓
5.1.5成品檸檬酸
日產檸檬酸量為：91.625÷300=0.305 t/d
即結晶液中檸檬酸的含量為：0.305t/d
需精制液中檸檬酸含量為：0.305÷98%=0.311t/d
需分離液中檸檬酸的含量為：0.305÷（95%×98%）=0.328t/d
5.1.6淀粉質原料年產100噸一水檸檬酸總物料衡算
即對生產91.625t/a99.5%無水檸檬酸的薯干原料檸檬酸進行計算。
（1）檸檬酸成品
日產食用99.5% 無水檸檬酸量為0.305t
日產副產品為：0.305×2÷98=0.0063t
則日產總量為：0.312t
實際年產量為：食用檸檬酸量為：0.305×300=91.5t/a；取整為92t
副產物為：0.0063×300=1.89 t/a
總產量為：93.89 t/a
（2）主要原料薯干用量
日耗量：1390.57×10－3×0.312=0.434t
年耗量：0.434×300=130.2t
（3）根據以上計算，將物料衡算結果列于表3。
表3 100t/a料檸檬酸廠物料衡算表
物料名稱 每噸產品耗物量
（kg） 年產100噸耗物量
每天（t/d） 每年(t/a)
食用檸檬酸 980 0.305 92
副產品 20 0.0063 1.89
薯干原料 1390.57 0.434 130.2
淀粉 973.4 0.304 91.2
α-淀粉酶 0.56 0.00017 0.051
發酵醪 8221.1 2.57 770.08
接種量 747.37 0.233 70.00
成熟蒸煮醪 7473.17 2.333 700.0
薯干漿量 19806.17 6.18 1855.28
無水氯化鈣 1 0.000313 0.0939
碳酸鈉 1.5 0.000469 0.1408
5.2熱量衡算
5.2.1液化熱平衡計算
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 =3.91kJ/(kg•℃)
由工藝可知:
經過噴射加熱器溫度由t1=50℃升溫至t2=100℃
Q= C1×G醪液(100-50)
=3.91×19806.17×(100-50)
=3872106.2 kJ
5.2.2發酵過程中的蒸汽耗量的計算
（1）蒸汽用量的計算公式
整個生產過程采用蒸汽加熱，
蒸汽耗用量計算公式為：
式中：η——為蒸汽的熱效率，取 ；
I——汽化潛熱。
（2）基礎數據
在28 下，查得：淀粉的比熱容為1.55
水的比熱容為4.174
加熱蒸汽的熱焓為2549.5
加熱蒸汽的冷凝水的熱焓為1250.60
由前面的計算可知，日耗薯干粉量為0.434t/d
日耗淀粉量為0.304t/d
日耗薯干漿量為6.18t/d
則日耗調漿用水量為：6.18-0.434=5.746 t/d
日耗淀粉漿量為：0.304+5.746=6.05 t/d
淀粉漿中含水量為：（5.746÷6.05）×100%=94%
淀粉濃度為：（0.304÷6.05）×100%=5%
由此可算得淀粉漿的比熱容為：
C=C淀粉×X+C水×Y=1.55×5%+4.174×94%=4
式中：X——淀粉濃度，5%
Y——水濃度，94%
（3）生產過程中蒸汽耗量的計算
①培養基滅菌及管道滅菌：
培養基采取連消塔連續滅菌，進塔溫90℃，滅菌130℃
則滅菌用蒸汽量：
每罐的初始體積為2.1 m3，初糖濃度是13g/100ml，滅菌前培養基含糖量19%。
其數量為：2.1×13%÷19%=0.05t
滅菌加熱過程中用0.3MPa，蒸汽（表壓）I=2725.3kJ/kg，由維持罐（90℃），進入連消塔加熱至130℃，糖液比熱容3.69 。
每罐滅菌時間3h，輸料流量0.05÷3=0.17t/h，
消毒滅菌用蒸汽量：
D=1700×3.69×(130-90)÷[(2725.3-130×4.18) ×95%]=121kg/h=0.121t/h；
每天培養基滅菌用蒸汽量：0.121×3×4=1.45 t/d；
所有用罐空罐滅菌及相關管道滅菌用蒸汽量，據經驗取培養基滅菌用蒸汽量的10%，則：D1=1.45×10%=0.145t/d。
② 加熱發酵醪所用的蒸汽量D ：
檸檬酸水溶液的比熱容可按下式近似計算：
C=(0.99-0.66ω+0.0010t) ×4.16
式中：0.99——比熱容kJ/kg·℃
ω——檸檬酸質量分數，ω=（312.24÷2566.96）×100%=12.2%
t ——溫度，℃
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D 為：
D = GC(t1-t2)/(I-λ)η=2.57×3.96×（85-35）÷（2549.5-1250.60）×95%
=0.41t/d=123t/a
（4）將發酵段蒸汽衡算列于表4
表4 發酵車間蒸汽衡算
生產
工序 日用蒸汽量
(t/d) 平均蒸汽用量
(t/h) 年用蒸汽量
（t/a）
培養基滅菌 1.45 0.06 435
加熱發酵醪 0.41 0.02 123
空罐滅菌 0.145 0.006 135
合計 2.00 0.0086 693
6.發酵罐及種子罐的設計與選型
6.1發酵罐的選型
當前，我國檸檬酸發酵占統治地位的發酵罐仍是機械渦輪攪拌通風發酵罐，即通常所說的通用罐。選用這種發酵罐的原因主要是：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驗，成功率高。
此外在檸檬酸發酵生產設備方面，大型氣升式發酵罐仍處于試用攻關階段。從試用情況看，由于氣升式罐在生產周期、產酸率、供氧周期波動的影響、通風量增加的綜合能耗、生產的穩定性及可重復性等因素，所以多數廠家目前仍延用機械攪拌通風式發酵罐。因而，就本項目而言，按技術成熟，可靠、穩妥的原則，結合檸檬酸工程中的設計經驗，通過對罐內空氣分配器進行適當改造，成為新型的通風式機械攪拌型發酵罐。其攪拌功率，比相同容積的通用發酵罐降低約10%。
從生物發酵行業醪液處理供料的均衡性考慮，發酵放罐間隔時間不宜大于8小時，在技術可靠的前提下，大罐放料容積不大于400 m3。
結合目前本行業發酵技術的現狀，目前國內行業成熟技術水平、加工技術水平，企業可能達到的發酵控制管理水平等，從生產的可靠性、可實施性等方面考慮，本設計擬采用容積約3 m3 的新型通風發酵罐。
現以此類發酵罐進行設計選型。
6.1.1發酵罐容積和臺數的確定
（1）發酵初糖濃度：
由前面的計算可知，發酵液中檸檬酸的含量為0.328 t/d，則根據：
180 192
可計算出葡萄糖量為：0.328×180÷192=0.307t/d
則發酵初糖濃度為：0.307×100%÷2.57=12%
（2）生產能力的計算：
現每天產99.5%純度的檸檬酸0.305t，檸檬酸發酵周期為75h（包括發酵罐清洗、滅菌、進出物料等輔助操作時間）。則每天需糖液體積為V糖。每天產純度為99.5%的檸檬酸0.305t，每噸100%的檸檬酸需糖液7.58m3；
V糖=7.58×0.305 0.995=2.30m3
設發酵罐的填充系數 =70%，則每天需要發酵罐的總容積為Vo(發酵周期為48h）。
VO=V÷ =2.30÷70%=2.9m3
（3）發酵罐個數的確定：
現選擇總容積為3000L的機械攪拌通風發酵罐為例，則需要發酵罐的個數為
每臺罐的產量為：3×0.7×13%×95%×98%=0.25t
發酵罐所需個數= = =3.81
取總容積3m3發酵罐4個；
每日投（放）罐次：0.305÷0.25=1.22取整為放罐2次
(4)實際產量驗算：
富裕量 能滿足生產量要求
6.1.2主要尺寸的計算
取高徑比 H：D=2：1
則有：
H=2D；
解方程得：
取D=1m
H=2D=2m；
封頭高：
封頭容積 ：
V封=0.69（m3）
圓柱部分容積：
V筒=1.57m3
驗算全容積V全：
V全= Vˊ全
符合設計要求，可行。
6.1.3發酵罐冷卻面積的計算
對檸檬酸發酵，每1m3發酵液，每1h傳給冷卻器得最大熱量約為
4.18×6000kJ/(m3•h)。采用豎式列管換熱器。
取經驗值K＝4.18×500kJ/( m3•h•℃)。
平均溫差為：
35℃ 35℃
15℃ 28℃
20 7
代入得： = ℃
對總體積為3 m3的發酵罐，每次裝2罐，每罐實際裝液量為：
2.30÷2=1.15 m2
換熱面積
6.1.4發酵罐攪拌器的設計
選用六彎葉渦輪攪拌器。
（1）主要尺寸：列該攪拌器的各部尺寸與罐徑D有一定的比例關系，如下：
攪拌器葉徑:D/3=1/3=0.33m
葉寬:B=0.2d=0.2×0.33=0.066m
弧長:l=0.375d=0.375×0.33=0.124m
底距:C=D/3=1/3=0.33m
盤徑:di=0.75D=0.75×0.33=0.25m
葉弦長:L=0.25d=0.25×0.33=0.083m
葉距:Y=D=1m
彎葉板厚:δ=12mm
（2）轉速：取四檔攪拌，攪拌轉速N可根據50 m3罐，攪拌器直徑1.05 m，轉速n=110r/min,以等PO/N為標準縮小求得：
N2=N1(D1/D2)2/3=110×(1.05/0.33) 2/3=54.3(r/min)
6.1.5發酵罐設備結構的工藝設計
（1）空氣分布器
本罐使用單管進風，風管直徑計算見后面的接管設計。
（2）檔板
檔板的作用是加強攪拌強度，促使液體上下翻動和控制流型，防止產生旋渦而降低混合與溶氧效果。本罐因有扶梯和豎式蛇管，故不設檔板。
（3）密封方式
本罐采用雙面機械密封方式，處理軸與罐的動靜問題。
（4）冷卻管布置
豎式蛇管冷卻裝置。
求最高熱負荷下的好水量W：
式中：Q總-- 每1 m3醪液在發酵最旺盛時，1h的發酵量與醪液總體積的乘積：
Q總=174.34×4.18×6000=4.37×106
CP-- 冷卻水的比熱容，4.174KJ/h
t2 -- 冷卻水出溫，15℃
代入上式得：W=4.37×106÷ [4.18×(28-15)]=80419.58kg/h=22.34kg/s
冷卻管組數和管徑
設冷卻管總表面積為 S總=n×0.785do2
冷卻水體積流量為10.4×10-3 m3/s，取冷卻水在豎直蛇管中流速為1m/s，根據流體力學方程式，冷卻管總截面積S總為：
式中： --冷卻水體積流量，10.4×10-3m3/s
--冷卻水流速，1 m/s
則有： S總=10.4×10-3/1=10.4×10-3m2
豎直蛇管得組數N，根據管的大小一般取3、4、6、8、12……組，通常每組管圈數不超過6圈，增加組數可排下更多的冷卻管，管與攪拌器的最小距離不應小于250mm；每圈管子的中心距為2.5 ，管兩端U型或V型彎管，可彎制或焊接，安裝是每組豎直蛇管用專用夾板夾緊，懸掛在托架上。夾板和托架則固定在罐壁上，管子與管壁的最小距離應大于100mm，主要考慮便于安裝、清洗和良好傳熱。
根據發酵罐的實際情況，取管徑。由上式得：
do= = =0.04m
查金屬材料表選取 無縫管， ＝68mm> ， ＝72mm，現取豎蛇管圈端部U型彎管曲徑為200mm，則兩直管間距離為400mm，總長度：
＝ ＝3.14×400＝1256mm
長度L的計算： 冷卻管總面積F＝0.06 m2，無縫鋼管為 ，每米的冷卻面積為Fo=3.14×0.068×1=0.21(m2)，則
L=F/Fo=0.06÷0.21=0.285m
冷卻管占有體積：V=0.785×0.0682×0.285=0.001m3
長Lo和管組高度：Lo=0.285÷8=0.035m
另需連接管8m:L實=L+8=0.285+8=8.825m
6.2種子罐的選型
發酵所需的種子從試管斜面出發，經活化培養，搖瓶培養，擴大至一級乃至二級種子罐培養，最終向發酵罐提供足夠數量的健壯的生產種子。
種子罐的選型同發酵罐，采用機械攪拌通風發酵罐。
6.2.1種子罐容積和數量的確定
（1）種子罐容積的確定：接種量按10%計算，則種子罐容積V種為：
V種=V總×10%=3×10%=0.3m3
式中： ——發酵罐總容積（m3）。
（2） 種子罐個數確定：種子罐與發酵罐對應上料。發酵罐平均每天上2罐，需種子罐2個。種子罐培養20h，輔助操作8~10h，生產周期約25h，因此，種子罐2只足夠。
6.2.2種子罐主要尺寸確定
種子罐仍采用幾何相似的機械攪拌通風罐。H/D=2/1，則種子罐總體積： ；簡化計算方程如：
Vˊ總=2×п×D3/24+0.785D2×2D=0.3m3
整理后， →D=0.55m
則：H=2D=2×0.55=1.1m
由上述計算，選用容積為0.3m3的機械攪拌通風式發酵罐作為種子罐。
現將年產100噸檸檬酸工廠糖化、發酵車間設備列于下表：
表5 年產100噸檸檬酸工廠糖化、發酵車間設備一覽表
序號 設備名稱 規格與型號 臺數 材料 備注
1 發酵罐 V=3m3，
4 1Gr18Ni9Ti鋼 專業設備
2 種子罐 V=0.3 m3，
2 A3鋼 專業設備
3 預過濾器 JLS-Yu-045 4 金屬鎳 專業設備
4 蒸汽過濾器 JLS-F-035 4 金屬鎳 專業設備
5 金屬過濾器 JLS-045 4 金屬鎳 專業設備
6 液化醪泵 IS80-50-200 1 機體鑄鐵 通用設備
7 硫酸銨溶液輸送泵 IS80-50-200 1 機體鑄鐵 通用設備
8 種子液輸送泵 IS80-50-200 2 機體鑄鐵 通用設備
9 發酵醪液輸送泵 IS80-50-200 2 機體鑄鐵 通用設備
10 自來水輸送泵 IS80-50-200 1 機體鑄鐵 通用設備
11 硫酸銨貯罐 V=3 m3 1 1Cr18Ni9Ti鋼 非標準設備
12 發酵醪貯罐 V=3m3 1 1Cr18Ni9Ti鋼 非標準設
13 調漿桶 V=3 m3 1 1Cr18Ni9Ti鋼 專業設備
結論
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