年产1万吨柠檬酸的工艺设计

年产1万吨柠檬酸的工艺设计内容摘要：

－ NH3 C NC－ CH2 OH NC－ CH2 COOH C HOOC－ CH2 OH HOOC－ CH2 COOH ＋ HCN － 2HCl ＋ 4H2O － NH3 黄石理工学院 毕业论文 5 氮源和营养盐，将培养基液在 45~50℃ 下送入发酵室内装入浅底的铝盘或不锈钢盘中，干孢子接入黑曲霉干孢，发酵；过滤掉菌丝后将发酵液中和、酸解、净化、浓缩、结晶等后处理而得柠檬酸。 该方法具有设备简单，投资少投产快，操作简单，能耗低；原料粗放，产酸浓度高等优点。 但也有占地面积大，劳动强度高，发酵时间长，菌体生成量影响产酸率等缺点。 ② 固体发酵法也属浅盘发酵法的一种， 是将固体原料与曲霉菌丝体混合，经过微生物的代谢活动，将原料中的可发酵成分转化为柠檬酸。 此法虽然较落后，但可利用薯渣等固体原料进行发酵，发酵后的残渣仍可作为饲料。 采用固体发酵所用仪器设备简单，投资少，操作简便，原料粗放，发酵时间短，但其占地面积大，劳动强度大，产酸率及提取率低，副产物多。 因为该法有一些优点，故有存在的价值。 ③ 深层发酵法和表面发酵的基本原理相似，只是发酵过程发生在密闭的大型发酵罐内，菌体的生长分散在整个液体介质内。 深层发酵的关键设备是发酵罐。 发酵罐通常由罐体、搅拌、冷却装置和空气分布器等组成。 配制好的发酵原料经灭菌、冷却后，将培养的优育菌种先接种于种子罐，再转移至发酵罐。 发酵期间罐内始终通入无菌空气，以增加培养基内的溶解氧，注意控制发酵温度、 pH、通气量及搅拌速度，维持菌体的生长。 该方法的优点是：发酵体系为均一的液体，传热传质良好；设备占地面积小，生产规模大；发酵速率高，时间短；产酸率高，菌体生成量小，原材料消耗低；便于机械化操作；发酵副产物少，产品得率高，产品质量高等，从而使其成为当今世界生产柠檬酸的最主要的方法。 ④ 石油烃（正构烷烃）发酵法采用解脂覆膜孢酵母为菌种，以石油为原料发酵生产柠檬酸 是基于分解长链烷烃的能力，先通过一端氧化产生长链脂肪酸，诱发子链打开，借 β氧化或 ω氧化作用成为短链脂肪酸，然后进入三羧酸循环产生柠檬酸，反应历程如下： C16H34 + + H2O → C 16H32O2 + 2H2 C16H32O2 + 16H2O + ATP → 8C 2H4O2 + 14H2 + AMP + 2Pi 3C2H4O2 + H2O → C 6H8O7 + 3H2 我国柠檬酸工业的发展历程 菌种选育屡结硕果 优良的菌种对柠檬酸发酵起着决定性的作用，我国在菌种选 育方面的研究非常活跃，近二十年来不断有新的菌种面世，使我国的柠檬酸发酵达到世界先进水平，黄石理工学院 毕业论文 6 对总糖转化率最高已达 %。 20 世纪 70 年代，上海工微所以酒精生产上所用的固体曲菌种宇佐美曲霉为出发菌，经 60Coγ射线及氮芥诱变处理，以薯干为原料进行柠檬酸菌种筛选，获得我国第一代柠檬酸生产菌 ——宇佐美曲霉 N558， N558 产酸水平 6～ 7%，转化率 70～80%，周期 120 小时。 采用在筛选平板培养基之中添加 10%柠檬酸的方法，从土壤中筛选出野生黑曲霉 628，经 60Coγ射线 8～ 10 万伦辐射之后，通过常规的变 色平板即在平板之中加入 %的溴酚蓝，采用比较显色圈和菌落的直径等方法，选育出了黑曲霉 D353，此菌种发酵产酸 8～ 9%，转化率 80～ 90%，周期 96～ 120 小时。 朱享政等为了将 3008 用于葡萄糖母液发酵，又进行了连续诱变，即用硫酸二乙酯（ EDS）处理后再经 Co60γ射线辐照，根据柠檬酸高产菌株不产孢子和菌球较小的经验，筛选出了 Co827 菌种。 Co827 是我国柠檬酸发酵史上最重要的菌种之一，一直沿用至今，发酵产酸 13%～ 14%，转化率 95%以上，发酵周期 64 小时。 因地制宜调整原料结构 目前工业上使用的原料主要有以下几种： 薯类：甘薯、木薯、马铃薯、甘薯干、木薯干、马铃薯干、薯渣 谷类：玉米、小麦或小麦面粉、大米 淀粉：各种谷类、薯类等加工成的淀粉 糖类：蔗糖、甜菜糖及其糖蜜，由淀粉水解而得到的各种单糖、双糖 装备情况大为改观 设备趋于大型化、连续化、自动化。 最大的喷环式好氧发酵罐的容积已达400m3，各种形式的带式过滤机已广泛应用，多效蒸发、连续结晶设备已实现国产化。 工艺控制水平大幅提高，多数工厂已建立了自动化监控系统和完善的计量网络。 提取工艺取得突破性进展 传统的钙盐提取法，劳动强度大，消耗大量的化学品，并产生大量的硫酸钙废渣，对环境造成污染，收率低，影响产品质量，形成巨大的成本开支，制约了柠檬酸行业的发展。 取代钙盐法的柠檬酸提取新工艺已取得初步成功。 中科院生态环境研究中心秦涛等研究成功了连续色谱离交工艺， 1998 年在安徽皁阳制药厂建成了2020 吨 /年生产线。 黄石理工学院 毕业论文 7 2 总体工艺方案 引言 目前，在国内外柠檬酸生产技术路线中液体深层发酵、钙盐提取技术仍是柠檬酸工业生产中的主导工艺路线。 随着生物工程及其下游技术的发展，精料、高糖发酵正成为柠檬酸发酵工 艺的发展趋势，萃取工艺及色谱 (树脂 )分离技术也在柠檬酸提取精制工艺中得到进一步的研究和发展。 就目前柠檬酸发酵技术情况看，以玉米为原料的柠檬酸精料发酵已在国内得到较广泛的应用。 玉米原料经初步的脱胚后，磨粉液化制成发酵精料，使后续产品回收率提高近 5 个百分点，同时为精料高糖发酵打下了较好的开发基础。 另一方面，玉米处理的糖渣及胚芽等副产品收入又降低了玉米原料的成本。 在本设计中，原料处理及发酵工艺的确定，既要结合当地原料特性，也要考虑甲方已有的技术实力，使其生产技术路线不仅适应以薯干为原料的生产需要，也满足 以玉米作为精制原料生产的要求。 因而采用了玉米干法脱胚粉碎或薯干直接粉碎调浆、液化 (玉米液化浆 )压滤、低压连续喷射灭菌，液体深层发酵的工艺路线。 在提取精制工艺方面，溶媒法生产工艺因其生产技术、溶媒回收、生产成本、产品质量及产品的市场接受关念等多方因素，一直未形成大的工业生产方式，而色谱 (树脂 )分离技术却有一定发展。 从 MESSO 公司与美国 ASTU 公司对中国柠檬酸工程的技术报价资料看，利用 Reillex HP 树脂，采用 ISEP 连续法分离柠檬酸，在产品达标的情况下，具有生产成本低、三废排放少、生产过程简化 等优势，但该装置对醪液中的残糖、胶体、蛋白质等有机杂质及阴阳离子等有一定限制，对柠檬酸发酵醪液特性及预处理工艺有较高要求，其 “可操作性必需通过现场使用原始发酵醪液试验后，方可得到证实。 ” 由于上述原因，并结合本设计多方面的具体情况，本着工艺合理先进的原则 ,在本工程提取工艺中仍确定采用钙盐提取的总体工艺方案。 且在中和工艺上 ,结合原料特点、水资源状况、污水排量及产品收率等情况 ,在考虑机械输送、负压除尘、螺旋无级变频投料的前提下选用干法中和工艺。 在后续工序上则以目前国内外普遍采用的离交纯化、蒸发结晶、分离 干燥为其基本工艺过程。 在生产过程的自动控制方面，以经济可靠为原则，利用医用抗生素大型发酵系统微机控制技术，结合行业特点，重点对发酵温度、 PH 值、罐压、通风量及机械运行状况实施微机监控管理；对蒸发结晶系统的蒸汽流量、罐温、罐压 (真空度 )、黄石理工学院 毕业论文 8 物料回流量等实行自动控制，从而使工程整体技术装备从硬件到软件，都上升到一个新的技术水平。 综上所述，在本设计中， “工艺合理、成熟，设备先进、适用，投资成本低 ”是我们确定生产技术方案中应当遵循的最基本原则。 根据这一原则，确定本设计在原料处理以后的工艺流程如 图 21 所 示。 图 21 柠檬酸的生产工艺流程图 由 图 21 可 见，其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及净化压缩空气进行发酵； ——发酵液经升温、过滤处理后，进入中和罐加 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，再加 H2SO4 酸解，并加黄石理工学院 毕业论文 9 入活性炭脱色； ——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。 原料及其处理 原料 目前，国内外生产柠檬酸的基本原料分为两类：淀粉类与糖蜜类。 关于淀粉类原料，过去，我国长期仅仅使用各种薯干，如：马铃薯、甘薯、木薯等，技术比较成熟。 此次 1 万吨／年柠檬酸项目的工艺设计拟以薯干作为主要原料。 原料的处理 在本设计中，对原料的基本处理工艺方法是：采用薯干直接粉碎调浆、液化、 (玉米液化浆 )压滤。 结合一些实际条件，原料的处理由备料 车间来完成。 ①原料的运输与贮存 薯干原料，由汽车运至厂区，经过计量后，按包装形式的不同 (袋装或散装 )，暂存于平仓中。 存于平仓中的薯 干 ,采 用平仓散装 (或者袋装 )贮存输送设备，输送到备料车间内。 ②原料的处理 根据发酵的要求，对两种不同的原料分别处理： ——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，同时加入一淀粉酶升温液化。 液化完成后送至连消装置连续灭菌，再送至发酵车间。 发酵及醪液处理工艺 工艺与工程 根据总体工艺技术路线，采用好气液体深层发酵技术生产柠檬酸，成熟醪经处理过滤后，为后续工艺提供符合要求的清洁醪液。 黄石理工学院 毕业论文 10 设计由发酵车间来完成发酵工艺，压滤车间完成醪液处理工艺。 流程简介 发酵及醪液处理工艺流程，见图 22。 图 22 柠檬酸液体深层发酵及醪液过滤工艺流程 现在结合图 22，对发酵及醪液处理工艺的基本过程作一简介。 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 65 小时 (种罐约 28 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。 黄石理工学院 毕业论文 11 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，本工艺中为提高设备利用率，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。 粗提与精制工艺 工艺与工程 根据总体工艺方案，确定本工序的生产方法为：钙盐干法提取工艺，即柠檬酸清醪液经 CaCO3，干法中和、带式过滤机过滤、浓硫酸酸解、离交纯化、连续蒸发结晶、离心干燥工艺。 这些工艺合起来统称为粗提与精制工艺。 提取工段所要完成的工艺是：中和及其过滤，酸解及其过滤； 精制工段所要完 成的工艺是：离子交换、脱色、蒸发、浓缩、结晶、干燥。