年产2万吨柠檬酸工程提取车间.docx

《 年产2万吨柠檬酸工程提取车间 》
设计说明书

系 别： 城市建设系
专业班级： 生物工程0701班
姓 名： 邓超文
学 号： 20071171040
指导教师：

（课程设计时间：2011年 月 日—— 2011年 月 日）
华中科技大学武昌分校
目 录

1．课题设计目的 ………………………………………………………………… 1
2．课题设计题目描述和要求 ……………………………………………… 1
3．课题设计报告内容 ……………………………………………………………2
3.1柠檬酸生产相关知识简介 ……………………………………………………2
3.2年产2万吨柠檬酸工程提取车间的物料衡算 ………………………………4
3.3提取工艺中杂质浓度的计算……………………………………………………11

3.4绘制工艺流程图（附图）

4．总结 ……………………………………………………………………………16

参考文献 …………………………………………………………………………17

1课题设计的目的
1.1 主要内容
1、生产工艺的确定并绘制带控制点工艺流程图；
2、工艺计算确定原材料、能源消耗；
3、设备计算与选型；
4、编写设计说明书及绘制工程图；
5、检查及修改说明书及图纸。
1.2 具体要求
1、 毕业设计开题报告不少于2000字；完成与毕业设计课题相关的外文文献翻译，不少于2000汉字；
2、 中、英文摘要：350字左右；
3、 完成设计说明书（工艺计算与设备选型）：不少于1万字（图纸、程序、计算表格除外）。
4、绘制工程图：A2图，全部为CAD绘图，包括设计内容中的带控制点工艺流程图、设备平立面布置图、管道平立面布置图、专业设备加工条件图（一张）
2课题设计的描述
2.1 柠檬酸概述
柠檬酸（citric acid，citrrus）又名枸橼酸，学名为3－羟基－3－羧基戊二酸。柠檬酸在自然界中分布很广，主要存在于柠檬、柑橘、菠萝、梅等果实中，尤其以未成熟者含量较多。植物叶子中也含有柠檬酸。在动物中，柠檬酸存在于骨骼、肌肉、血液、乳汁、唾液、汗和尿中。柠檬酸是生物体主要代谢产物之一。柠檬酸的用途很广泛，其中以食品工业用量最多（约占70%），主要作为饮料的酸味剂。世界卫生组织（WHO）对柠檬酸在食物中的添加量未作任何限制。

2.1.1、柠檬酸的物理性质
柠檬酸为无色半透明晶体，或白色颗粒，或白色结品性粉末无免虽有强烈酸味但令人愉快，稍有一点后涩味。它在温堰空气中惭沥风化，在潮湿空气中微有溶解性。
结晶形态与性质：
柠檬酸结晶形态因结晶条件不同而不同，有无水柠檬酸，C6H8O7，也有合结晶水的柠檬酸2C6H8O7·H2O、C6H8O7·H2O或C6H8O7·2 H2O。 商品柠檬酸主要是无水柠檬酸和一水柠檬酸。
一水柠檬酸是由低温(低于36．6℃)水溶液中结晶析出，经分离干燥后的产品，分子量210．14，含结晶水量为8.5%，熔点70～75℃，密度的＝1．542。20℃下，100g水中可溶解无水物147g.放置在干燥空气中时，处于晶体品格中的结晶水逸出而风化。一水柠檬酸晶体缓慢加热时，先在50～70℃开始失水，70～75℃晶体软化，开始熔化。加热到130℃时完全丧失结晶水，最后在135～152℃范田内完全溶化化。—水柠檬酸剧烈加热时，在100℃熔化，结块变为无水柠檬酸，继续加热很精确地在153℃溶化。一水柠檬酸晶体为斜方棱晶，晶体较大，晶轴a：b·c＝0.6068：1：0.1106。折射率率n：＝1．493-1．5090.无水柠檬酸是由高温(高于36．6℃)水溶液中结晶析出的。一水柠檬酸转变为无水柠檬酸肋临界温度为36．6+15℃。无水柠檬酸分子量192．12，熔点153℃，密度的＝1．6650。晶体形态为单斜晶系的棱形—双菱锥体。锥角A＝99。7’，晶轴n：b：c＝1.936：1：1.50。
2.2柠檬酸产业发展中存在的问题及策略
2.2.1开发绿色工艺
柠檬酸作为食品添加剂、医药原料、金属清洗剂等领域的重要精细化学品，其应用领域日益广泛。我国的柠檬酸产品几乎销售到了世界的每一个角落．出口量不断增加，生产规模不断扩大，但随着人们环境意识的提高，环保压力日益加大，柠檬酸生产中的环境问题越来越引起人们的关注。柠檬酸的提取现在较多的仍是采用钙盐法，而钙盐法产生的CaSO4。对环境有很大的污染。目前国家已经颁布了相关文件，禁止钙盐法的使用，这对柠檬酸的生产提出了巨大挑战。柠檬酸工业要继续发展下去必须开发出能够取代现有钙盐法的新技术
2.2.2持续发展
目前资源日益紧缺，我国政府提出了循环经济的理念，号召开发新的可再生替代能源，发展生物质产业，从根本上打破中国经济发展的能源瓶颈。我国虽然是柠檬酸生产大国，柠檬酸生产过程中使用的原料主要还是玉米等粮食作物，柠檬酸的发展受到一定的限制。而我国有着丰富的秸秆资源，每年的总资源不低于10亿t干物质，以秸秆为原材料将是柠檬酸的生产新机遇。
2.2.3开发新产品
我国柠檬酸生产主要还是集中在一水柠檬酸等少数几个产品上，产品层次单一，而对于如无水柠檬酸等市场急需产品的相关生产却比较少。国内的柠檬酸企业应该抓住机遇，不断改进技术工艺，开发新产品，满足国内外市场对无水柠檬酸等的需求。
2.3柠檬酸提取工艺
柠檬酸发酵液的成分比较复杂，除产物柠檬酸外，还包括残糖、菌体、蛋白质、色素、胶体、无机盐、有机杂酸等多种杂质，这些均来源于原材料和底物中未消耗的营养盐以及发酵过程中产生的副产物等。所以，发酵工艺和原材料的不同均影响着发酵液的组成，这也增加了柠檬酸提取工艺的难度。目前，我国柠檬酸生产厂家主要采用的提取工艺仍是传统的钙盐法。但该法工艺复杂，收率低，能耗、料耗大，且产生大量难处理的废水、废渣，这些缺点已严重制约了我国柠檬酸行业的发展。因此，柠檬酸产业的清洁生产技术不仅对降低成本具有重要意
义，还事关行业的持续发展；高效、低污染的提取方法如氢钙法、色谱法、离子交换吸附法、溶液萃取法、膜分离法等得到了广泛的研究，其中柠檬酸氢钙法和模拟移动床色谱法在万吨级规模柠檬酸生产中获得了成功。
钙盐法提取柠檬酸其理论依据是将CaCO3或Ca（OH）2加入发酵清液中，形成柠檬酸钙沉淀，然后将此沉淀与浓硫酸反应，形成硫酸钙沉淀，析出柠檬酸溶液，再经过离子交换及浓缩结晶后，便可以得到柠檬酸晶体。其工艺流程见图1。这种方法虽然原理比较简单， 工艺成熟， 但是劳动强度极大，使用了强酸且有废弃物的排出，无论是对操作者还是对环境都造成了极大的危害； 同时此方法得到的柠檬酸收率也不高，一般只能达到70 %左右。

2.年产2万吨柠檬酸工程提取车间设计
      1.1柠檬酸工程提取车间设计流程发酵醪
预处理
过滤
中和
石灰乳（石灰粉）
过滤
石膏渣
酸化
过滤
炭柱脱色
离子交换
结晶
干燥、分级
离心分级
菌体残渣
加热至80-90℃
草酸钙
胶体，有色质
金属离子、阴离子
钡盐、黄血盐
93%浓硫酸
金属离子、SO42‾
包装

图1 柠檬酸提取车间所需设备
1：中和槽
2：石灰乳储罐
3：柠檬酸钙悬浮液叩送泵
4：压滤机
5：柠檬酸钙储液罐
6：滤液澄清罐
7：泵
8：滤液储罐
9：泵
10：酸解罐
11：酸液计量罐

12：黄血盐溶液计量罐
13：带式真空过滤机
14：柠檬酸液真空收集槽
15：真空泵
16：酸液泵
17：柠檬酸储液罐
18：一级真空蒸发器
19：一次浓缩液储罐
20：板框压滤机
21：滤液储罐
22：酸液泵
23：柠檬酸液储罐
24：二级蒸发器
25：真空冷却器
26：水槽
27：水泵
28：二次浓缩液储罐
29：泵
30:结晶罐
31:酸液分布器
32：离心机
33：一次母液储罐
34：母液泵
35：送料器
36：干燥器
37：斗式提升机
38：振荡结晶冷却器
39：成品储罐

1.2   柠檬酸发酵的原料：
柠檬酸发酵采用的原料是玉米，水，曲霉。
1.3 柠檬酸发酵原料处理：
玉米的液化、糖化
1.4   柠檬酸发酵：
黑曲霉可以由糖类、乙醇和醋酸等发酵产生柠檬酸，这是一个非常复杂的生理生化过程。早在上一世纪末，人们就开始对柠檬酸的发酵机理进行了探比但都是从某些片面的现象或实验事实提出的假说，基本上属于猜测。只Raistrick和Clark(1919年)提出的假说最接近于现代的理论，他们认为柠檬酸是由草酰乙酸和醋酸缩合成的。而现在普遍认为柠檬酸是经过EMF途径、丙酮酸羧化和三羧酸循环形成的。
2柠檬酸提取车间物料衡算
柠檬酸提取车间的物料平衡计算主要项目为发酵醪中一水柠檬酸的衡算，中和剂石灰乳和酸化用浓硫酸的量，废渣量（草酸钙，石膏渣，金属离子）等。
2.1柠檬酸工程提取车间工艺流程示意图
发酵醪
过滤
中和
Ca（OH）2
化
酸解
过滤
炭柱脱色
离子交换
浓缩
图2钙盐离子交换法提取柠檬酸工艺流程示意图
过滤
残渣
钙盐
水洗
浓硫酸
有色质，胶体

Fe3+、Mg2+Al3+, SO42-等

结晶交换
离心
石膏

母液

干燥
CA产品

2.2 工艺技术指标及基础数据
根据表1的基础数据，首先进行100kg原料生产12°淡色啤酒的物料计算，然后进行100L 12°淡色啤酒的物料衡算，最后进行10000t/a啤酒厂糖化车间的物料平衡计算。
表1柠檬酸生产基础数据
项   目
名       称
百分比（%）
项   目
名      称
百分比（%）
定
额
指
标
食用无水檬酸标准
99.5
α-淀粉酶用量
8U/g
实际产率
约为
98
操作参数
（转化率）
淀粉糖转化率
98.5
糖酸转化率
95
副产品
2
提取分离收率
94
玉米淀
粉含量
65
70
精制收率
96
水分
18
倒罐率
1
2.3 2万吨一水柠檬酸提取车间物料衡算
(1)年产2万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”:
中和(总收率90%)
进入提取工段的无水柠檬酸：20000/1.00914=18325.085t/a
每中和100kg一水柠檬酸所需的石灰乳的量计算如下：
2C6H8O7·H2O+3CaCO3 Ca3(C6H5O7)·4H2O+3CO2 +H2O
2C6H8O7·H2O+3Ca(OH)2 Ca3(C6H5O7)·4H2O+4H2O
根据上述反应式，可以计算出没中和100kg的一水柠檬酸需要CaCO3 71.5kg 或Ca(OH)2 53kg(折合CaO40kg)。那么两万吨一水柠檬酸消耗的石灰乳总量为14300kg ，折合CaO为8000kg。
另外发酵液中的草酸钙在PH3以下沉淀析出。反应如下：
草酸 C2H2O4+Ca2+ CaC2O4
葡糖酸 2C6H12O7+Ca2+ Ca(C6H11O7)2
深层发酵液中葡糖酸含量为0.2~0.3%，此处取0.25%，草酸含量为0.1~0.3%，此处取0.15%，柠檬酸95%，其它1.0%。那么柠檬酸发酵液中葡糖酸、草酸、柠檬酸的总含量分别为：
发酵液总量 20000/0.95=21052.6t
葡糖酸 210526*0.0025=52.63t
草酸 21052.6*0.0015=31.57t
柠檬酸 20000t
其中草酸在中和过程中（PH2.7~2.9）率先一草酸钙盐的形式沉淀下来。葡糖酸则因为溶解度比较大而继续留在酸液中。
酸解
酸化用硫酸用量：Ca2++ SO42- CaSO4
因为硫酸与钙盐的用量比为1.02:1左右。过量的硫酸，目的在于尽量减少柠檬酸的损失。不能过多，是应为，硫酸对容易的沸点有影响，可能导致温度过高时草酸钙的分解。
有以上反应是可计算得硫酸用量为：14280t
酸解后的净化：1.活性炭（粉状）出去色素和胶体；
2.钡盐沉淀法出去过量的硫酸根离子；
3.亚铁氰化钙（200g/l）去除Fe3+,Ni3+；
4.除Pb,As,可以以硫化物沉淀去除。通常用粒状硫化钡。
脱色，离子交换