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年產(chǎn)100噸檸檬酸的發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)
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- 年產(chǎn)100噸檸檬酸的發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用薯干原料發(fā)酵，只需將薯干磨成粉，加水調(diào)漿，直接加入少量α－淀粉酶液化后滅菌、冷卻即可接種發(fā)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(zhì)6%左右。薯干原料中的蛋白質(zhì)可作為氮源供菌體生長(zhǎng)。薯干原料中含有鐵、鎂、鉀、鈣等的無(wú)機(jī)鹽，選用的黑曲霉C0527對(duì)這些成分不敏感,故不必對(duì)原料做這方面的預(yù)處理。本設(shè)計(jì)采用液體深層好氧發(fā)酵、鈣鹽法提取技術(shù)生產(chǎn)檸檬酸。這兩種方法都是國(guó)內(nèi)比較流行的生產(chǎn)方法，有著大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，易于操作，風(fēng)險(xiǎn)小。
由于本設(shè)計(jì)為糖化、發(fā)酵車間的設(shè)計(jì)，著重于這兩個(gè)車間的工藝計(jì)算、設(shè)備選型。通過(guò)全廠物料衡算、車間熱量衡算，確定糖化、發(fā)酵車間主要設(shè)備發(fā)酵罐、種子罐、車間管道的設(shè)計(jì)和選型。
本設(shè)計(jì)還包括發(fā)酵罐，工藝流程圖，全場(chǎng)平面布局圖。
關(guān)鍵詞：薯干 深層好氧發(fā)酵 黑曲霉 檸檬酸 設(shè)備設(shè)計(jì)和選型。
1 引言
檸檬酸，學(xué)名為2-羥基-丙烷三羧酸，結(jié)構(gòu)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(guó)檸檬酸生產(chǎn)成本較低，在國(guó)際市場(chǎng)上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)我國(guó)檸檬酸的年出口量一直保持在10萬(wàn)噸以上。
隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，有機(jī)酸在人工飼料中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。檸檬酸具有無(wú)毒害、無(wú)殘留等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物可以起到促進(jìn)礦物質(zhì)吸收、提高飼料利用率的作用，因而在水產(chǎn)養(yǎng)殖中得到了較為廣泛的應(yīng)用。
對(duì)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(jié)晶體，呈檸檬型酸味。它以玉米為主要原料，經(jīng)過(guò)發(fā)酵等一系列化學(xué)工藝提取精制而成，所得產(chǎn)品主要為無(wú)水或帶一份結(jié)晶水的檸檬酸。檸檬酸具有令人愉快的酸味，口感爽快，無(wú)后酸味，安全無(wú)毒，在水中的溶解度極高，能被生物體直接吸收代謝。國(guó)內(nèi)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(jī)體能量代謝的中間產(chǎn)物，有重要的生理、化學(xué)功能，它是乙酰COA合成脂肪過(guò)程中的重要介質(zhì)，也是線粒體中構(gòu)成時(shí)吸鏈的重要物質(zhì)之一，可以調(diào)節(jié)CAMP活性，參與機(jī)體能量、結(jié)構(gòu)和酶保障等一系列重要反應(yīng)。工業(yè)生產(chǎn)中主要用黑曲霉作為生產(chǎn)菌，采用液體通風(fēng)發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸。黑曲霉發(fā)酵檸檬酸的機(jī)制為：葡萄糖首先通過(guò)EMP和HMP途徑得到磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)不完整的三羧酸循環(huán)（TCA）達(dá)到檸檬酸的積累。該生產(chǎn)工藝和設(shè)備具有很強(qiáng)的典型性，本文對(duì)黑曲霉發(fā)酵檸檬酸生產(chǎn)工藝及主要設(shè)備作簡(jiǎn)要介紹，本設(shè)計(jì)還包括發(fā)酵罐，工藝流程圖。 以期有助于了解好氧發(fā)酵工藝和主要設(shè)備的相關(guān)知識(shí)。
設(shè)計(jì)內(nèi)容為，了解檸檬酸生產(chǎn)中的原料預(yù)處理、發(fā)酵、提取部分的生產(chǎn)方法和生產(chǎn)流程，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇發(fā)酵工段合適的生產(chǎn)流程，并對(duì)流程中的原料進(jìn)行物料衡算、熱量衡算及設(shè)備的選擇。最后，畫出發(fā)酵工段的工藝流程圖和平面布置圖。
由于我的知識(shí)有限，加之對(duì)先進(jìn)設(shè)計(jì)的了解甚少，設(shè)計(jì)中有不足的地方敬請(qǐng)各位老師和同學(xué)批評(píng)指正。
2 生產(chǎn)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(chǎn)生菌黑曲霉在生長(zhǎng)期和產(chǎn)酸期都存在著EMP和HMP代謝．說(shuō)明葡萄糖的降解是通過(guò)兩條途徑共同完成的。但是，在生長(zhǎng)期EMP：HMP為2：1，而產(chǎn)酸期兩者的比例為4：1，即產(chǎn)酸期有80％的葡萄糖是通過(guò)EMP代謝的。這是因?yàn)樵谏L(zhǎng)期需要通過(guò)HMP提供合成核糖等所需的前體物質(zhì)，產(chǎn)酸期葡萄糖主要通過(guò)EMP降解，對(duì)檸檬酸的發(fā)酵生產(chǎn)是非常重要的。因?yàn)?mol葡萄糖經(jīng)EMP降解可得到2mol丙酮酸，再經(jīng)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(zhuǎn)化率(以質(zhì)量計(jì)，葡萄糖合成檸檬酸的理論轉(zhuǎn)化率為l06.7％，對(duì)—水檸檬酸的理論轉(zhuǎn)化率為116.7％)。
在檸檬酸積累的條件下，TＣA循環(huán)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(lái)提供。已知丙酮酸（PYR）和磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）均能經(jīng)催化作用固定CO2而形成草酰乙酸。
經(jīng)證實(shí)，在黑曲霉產(chǎn)檸檬酸階段主要是通過(guò)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(chǎn)檸檬酸途徑
2.1.2 檸檬酸生產(chǎn)菌種
很多微生物都能生產(chǎn)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(fèi)的檸檬酸主要采用發(fā)酵法生產(chǎn),而最具優(yōu)勢(shì)的是黑曲霉和解脂假絲酵母等菌種的深層發(fā)酵法.在現(xiàn)代,糖質(zhì)原料發(fā)酵使用黑曲霉,因?yàn)樗臋幟仕岙a(chǎn)量最高,且能利用多樣化的碳源. 所以本設(shè)計(jì)擬采用黑曲霉G23-4菌種作為生產(chǎn)用菌種。
2.1.3 檸檬酸生產(chǎn)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(shí)下腳料：葡萄、菠蘿、柑橘、蘋果等果實(shí)加工的殘?jiān)Z食加工下腳料: 各種糧食加工的下腳料。凡是能通過(guò)微生物代謝而產(chǎn)生檸檬酸的物質(zhì),都可以作為發(fā)酵檸檬酸的原料。但從工業(yè)成本考慮，多采用廉價(jià)符合要求的原料。一般工業(yè)選擇原料的標(biāo)準(zhǔn)如下：
a原料中可利用成分高，無(wú)抑制檸檬酸生產(chǎn)菌生長(zhǎng)和產(chǎn)酸的物質(zhì)極少。或容易除去，能滿足工藝要求。
b能就近取材，原料來(lái)源豐富，便于采購(gòu)、運(yùn)輸、適于大量?jī)?chǔ)存，保證生產(chǎn)上的供應(yīng)。
c原料成分對(duì)產(chǎn)品的提取、精制無(wú)影響。
d價(jià)格便宜。
由于黑曲霉使用糖質(zhì)原料，檸檬酸產(chǎn)量最高。目前，一般使用甘薯、木薯、馬鈴薯、玉米等。本設(shè)計(jì)將以薯干作為生產(chǎn)用原料。
2.2 操作工藝概述
2.2.1 原料的處理工序
根據(jù)發(fā)酵的要求，對(duì)薯干原料，采用直接粉碎、磨粉、調(diào)漿、液化、連續(xù)滅菌的處理方法；以薯干原料生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)我國(guó)薯干粗料的特征，發(fā)酵工藝要求將薯干從平倉(cāng)運(yùn)至備料車間，經(jīng)過(guò)磁選裝置除去原料中含鐵雜質(zhì)，以保護(hù)設(shè)備。然后進(jìn)入粗粉碎機(jī)，將薯干先軋成1—3cm 大小的小塊，以提高磨粉機(jī)的效率，便于物料的輸送。粗碎后，由斗式提升機(jī)提送至中間粉倉(cāng)，由粉倉(cāng)落入磨粉機(jī)粉碎，粉碎后進(jìn)入粉倉(cāng)再經(jīng)計(jì)量送至配料罐。配料罐內(nèi)加水調(diào)漿，同時(shí)加入淀粉酶升溫液化。液化完成后送至連消裝置連續(xù)滅菌，再送至發(fā)酵車間。
2.2.2發(fā)酵工序
由備料車間提供的經(jīng)連續(xù)滅菌并冷卻的料液，通過(guò)滅菌管道泵入已空消滅菌待料的發(fā)酵罐(或種子罐)，通過(guò)差壓法或零磅火焰倒種法，接入已培養(yǎng)好的檸檬酸菌種，在通風(fēng)、攪拌情況下，進(jìn)行發(fā)酵或培養(yǎng)。在發(fā)酵培養(yǎng)過(guò)程中，對(duì)罐溫、罐壓、通風(fēng)量、攪拌轉(zhuǎn)速等實(shí)行連續(xù)記錄監(jiān)控，并定期檢測(cè)原糖消耗情況、菌種生長(zhǎng)狀態(tài)、pH值、泡沫等變化情況。根據(jù)發(fā)酵的工藝特性要求，及時(shí)調(diào)整控制發(fā)酵工藝過(guò)程，以獲得最佳工藝產(chǎn)酸率或種罐菌種活力，一般經(jīng)66小時(shí)(種罐約25小時(shí)) 培養(yǎng)，大罐在殘?zhí)侵笜?biāo)、產(chǎn)酸情況達(dá)到放罐條件即可放罐；種罐菌種活力及菌群數(shù)量達(dá)標(biāo)后，即可移種。在發(fā)酵或培種過(guò)程的定期檢測(cè)中，若發(fā)現(xiàn)異常情況，如染菌等，應(yīng)針對(duì)具體情況及時(shí)處理，對(duì)中、前期染菌，可加大種量形成主菌群生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，或及時(shí)罐實(shí)消，補(bǔ)入適當(dāng)營(yíng)養(yǎng)源重新接種發(fā)酵；后期時(shí)可加強(qiáng)監(jiān)控，提前放罐；對(duì)倒罐等應(yīng)予滅菌排放處理，并認(rèn)真查找原因，進(jìn)一步強(qiáng)化滅菌操作中的各個(gè)環(huán)節(jié)。
2.2.3醪液處理工序
檸檬酸發(fā)酵完成后，應(yīng)即時(shí)進(jìn)行熱處理，以滅活發(fā)酵，絮凝蛋白、提高收率，為提高設(shè)備利用率，增設(shè)醪液貯罐，通過(guò)熱交換器，及時(shí)將醪液加熱至80℃后進(jìn)入醪液熱貯罐，再經(jīng)泵壓入過(guò)濾機(jī)，除掉固形物及菌體殘?jiān)瑢⑶艴惨罕萌胂碌拦ば颉?br /> 成熟的檸檬酸發(fā)酵醪中，除含有主產(chǎn)物檸檬酸之外，還含有纖維素、菌體、有機(jī)雜酸、糖、蛋白類膠體物質(zhì)、色素、礦物質(zhì)及其他代謝產(chǎn)物等雜質(zhì)，它們或來(lái)自發(fā)酵原料、或在發(fā)酵過(guò)程中生產(chǎn)，它們或溶存或懸浮于發(fā)酵醪中。通過(guò)各種理化方法，清除這些雜質(zhì)，得到符合各級(jí)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的檸檬酸產(chǎn)品的全過(guò)程，即為檸檬酸生產(chǎn)的下游工程。它是一個(gè)確保產(chǎn)物“豐收”，提高企業(yè)效益的生產(chǎn)系統(tǒng)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(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(guò)離子交換及濃縮結(jié)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(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，而且總收率也較高。
Ⅱ液-液萃取工藝：用有機(jī)溶劑做萃取劑，將水溶液中的主要產(chǎn)物萃取到有機(jī)相中富集，其他雜質(zhì)留存于萃余相中被棄去，然后用純水從有機(jī)相中將主要產(chǎn)物反萃取到水相中富集，從而得到較純的產(chǎn)物。國(guó)內(nèi)的萃取工藝和設(shè)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(chǎn)品毒性問(wèn)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(fā)酵液中分離檸檬酸。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)便，設(shè)備較少，勞動(dòng)強(qiáng)度不大。 但在陰離子交換中，部分陰離子會(huì)和檸檬酸根離子一起進(jìn)行交換、洗脫下來(lái)，影響成品質(zhì)量。
Ⅳ電滲析提取工藝：電滲析是一種膜技術(shù)。它是在離子交換樹脂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，可用于化工產(chǎn)品的分離、提純、濃縮和物質(zhì)的回收。該法能耗大，極板上的污垢容易堆積,給操作帶來(lái)很大的不便。
Ⅴ連續(xù)離子交換法提取工藝：它是一種完全革新的分離工藝技術(shù)，不同于傳統(tǒng)的固定床（Fixed Bed）、脈沖床（Pulse Bed等工藝。它是在傳統(tǒng)的固定床樹脂吸附和離子交換工藝的基礎(chǔ)上結(jié)合連續(xù)逆流系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)采用鈣鹽離子交換工藝來(lái)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(jīng)由陽(yáng)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(zhì)量加速設(shè)備腐蝕的陰陽(yáng)離子，陰陽(yáng)樹脂需經(jīng)過(guò)酸洗、堿洗再生處理，離交后的檸檬酸精制母液送入蒸發(fā)工序。
蒸發(fā)與結(jié)晶:在提純?nèi)芤哼M(jìn)入蒸發(fā)部分前，通過(guò)精過(guò)濾器除去清液中的微小樹脂顆粒。精濾后的溶液經(jīng)熱交換器預(yù)熱后送至雙效真空濃縮器經(jīng)濃縮至特定濃度后，轉(zhuǎn)入真空結(jié)晶器，或者低溫結(jié)晶器進(jìn)行結(jié)晶。以確定產(chǎn)品(一水產(chǎn)品或無(wú)水產(chǎn)品)，再經(jīng)分離將檸檬酸晶粒從液相中分離出來(lái)，液相(母液)在分離后分別放至各級(jí)母液貯罐，根據(jù)其雜質(zhì)離交濃度情況，送往重新蒸發(fā)式回流到前工序處理提純，晶體送往干燥機(jī)。
干燥與包裝:從離心機(jī)分離出來(lái)的濕檸檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根據(jù)生產(chǎn)品種控制干燥空氣、溫度及冷卻空氣量進(jìn)行干燥，排空經(jīng)濕式旋風(fēng)分離器處理排放，干燥后的檸檬酸晶粒通過(guò)傳送裝置運(yùn)到篩選機(jī)，不合格顆粒被篩分出來(lái)，溶解后返回到結(jié)晶系統(tǒng)，檸檬酸成品進(jìn)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(chǎn)工藝的基本過(guò)程是：原料 (薯干或玉米)—→粉碎—→液化—→發(fā)酵—→過(guò)濾—→中和—→分離—→檸檬酸鈣—→酸解—→分離—→脫色—→離子交換—→減壓濃縮 —→結(jié)晶—→分離—→檸檬酸結(jié)晶—→干燥—→成品
① 在接收糖漿后，根據(jù)糖漿組成作適當(dāng)?shù)奶幚砘蚺渲疲涑砂l(fā)酵原料，進(jìn)行連續(xù)滅菌并冷卻后，進(jìn)入發(fā)酵罐，加入菌種和凈化壓縮空氣后進(jìn)行發(fā)酵；
② 發(fā)酵液經(jīng)升溫、過(guò)濾處理后，進(jìn)入中和罐，用CaCO3中和處理；
③ 再經(jīng)過(guò)過(guò)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(jìn)行脫色；
④ 然后，通過(guò)帶式過(guò)濾機(jī)過(guò)濾、酸解過(guò)濾，除去CaSO4及廢炭；
⑤ 酸解過(guò)濾液經(jīng)離子交換處理后，進(jìn)行蒸發(fā)、濃縮，再進(jìn)行結(jié)晶；
⑥ 結(jié)晶后，用離心機(jī)進(jìn)行固液分離，對(duì)得到的濕檸檬酸晶體進(jìn)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(zhì)原料生產(chǎn)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(fā)酵生產(chǎn)用。
3.1液化的方法及選擇
Ⅰ酸法：以強(qiáng)酸為催化劑，高溫、高壓條件下進(jìn)行，液化程度較難掌握
Ⅱ機(jī)械液化：破壞淀粉顆粒表面和結(jié)晶結(jié)構(gòu)
Ⅲ酶法：用α-淀粉酶，在中性溶液，常溫、常壓條件下進(jìn)行，液化程度容易掌握。此法適應(yīng)于檸檬酸工業(yè)。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(xù)液化法（高溫液化法） 、連續(xù)液化法 （噴射液化法）；按設(shè)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(shè)計(jì)擬采用連續(xù)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(jìn)行瞬間液化,高壓蒸汽通過(guò)噴嘴，使噴射器的內(nèi)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(jìn)入噴射器內(nèi)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(tǒng)，恒溫90℃維持30-60分鐘，達(dá)到需要的液化溫度。
此法的優(yōu)點(diǎn)是液化均勻完全、已切斷的淀粉連不易重新聚合、蛋白質(zhì)類雜質(zhì)凝固好，過(guò)濾性能佳、設(shè)備體積小、可連續(xù)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(wěn)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(diào)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(diào)節(jié)PH 4.8～5.2 →過(guò)濾去稀HCl或稀H2SO4。
Ⅲ工藝操作
用溫水將薯干調(diào)成漿乳，加稀石灰水調(diào)整pH至6.4-7.0，加需要酶量的2/3，備用。通蒸汽進(jìn)噴射器、保溫系統(tǒng)，待出口溫度達(dá)90℃以上時(shí)，打開(kāi)漿料回流閥，開(kāi)始將漿料泵入噴射器進(jìn)行液化，出料口溫度達(dá)到95-97℃時(shí)，關(guān)小回流閥，料液進(jìn)入層流罐，在90-95℃條件下，維持30-60分鐘，然后進(jìn)行二次噴射，料溫達(dá)到140-145℃，進(jìn)入維持罐維持3-5分鐘后，經(jīng)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(wú)藍(lán)色反應(yīng)，然后用稀酸調(diào)pH至4.8-5.2，趁熱過(guò)濾去渣。調(diào)整好氮源之后，經(jīng)連消或?qū)嵪蟀l(fā)酵。
4發(fā)酵工藝概述
4.1菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)
菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)是檸檬酸發(fā)酵工藝所要求的。其目的是以少量的檸檬酸產(chǎn)生菌原種開(kāi)始，經(jīng)過(guò)幾代繁殖培養(yǎng)，以獲得足夠數(shù)量的純的（無(wú)雜菌感染）活力強(qiáng)的菌種培養(yǎng)物供發(fā)酵生產(chǎn)接種之用。黑曲霉檸檬酸發(fā)酵的接種物是黑曲霉分生孢子，所以這一過(guò)程又稱為干孢子生產(chǎn)。接種質(zhì)量的好壞是檸檬酸發(fā)酵成敗的關(guān)鍵。對(duì)孢子質(zhì)量的要求是：形態(tài)整齊均一，無(wú)雜菌污染，發(fā)芽率高，發(fā)芽后生長(zhǎng)速度適當(dāng)，產(chǎn)酸活力高，無(wú)老化現(xiàn)象。
擴(kuò)大培養(yǎng)：原始菌種→試管斜面→麩曲菌種→種子罐
4.2培養(yǎng)基的滅菌
滅菌要求是，恰當(dāng)掌握滅菌的溫度和時(shí)間，達(dá)到既能殺死培養(yǎng)基中的各種微生物，又要最大限度地保持其中的營(yíng)養(yǎng)成分。
目前發(fā)酵工業(yè)液體發(fā)酵培養(yǎng)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(shí)放出大量潛熱而導(dǎo)致細(xì)菌芽孢死亡，是一種既簡(jiǎn)單又價(jià)廉的有效滅菌方法。其滅菌的方式分為間歇式（實(shí)消）與連續(xù)式（連消）。
Ⅰ間歇式：操作簡(jiǎn)單，不需其它設(shè)備，但由于中間時(shí)間長(zhǎng)，因而設(shè)備利用率低，培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)成分易受破壞。
Ⅱ連續(xù)式：設(shè)備操作相對(duì)復(fù)雜，但事實(shí)上設(shè)備一直處于相對(duì)較熱和穩(wěn)定的溫度，熱利用率較高，培養(yǎng)基升溫快，加熱時(shí)間短，營(yíng)養(yǎng)成分受破壞少，無(wú)死角，滅菌效果好適用于大量培養(yǎng)基的滅菌
故本設(shè)計(jì)，發(fā)酵罐采用連消，種子罐采用實(shí)消。
4.3曲霉檸檬酸發(fā)酵條件控制
4.3.1營(yíng)養(yǎng)要求
黑曲霉檸檬酸生產(chǎn)菌是化能異養(yǎng)微生物，只能利用有機(jī)碳源；要是黑曲霉檸檬酸產(chǎn)生
菌大量生成和積累檸檬酸，必須控制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給，使菌體生長(zhǎng)受限制，處于半“饑餓”和代謝失調(diào)狀態(tài)。從檸檬酸生產(chǎn)角度看，葡萄糖、蔗糖、糊精是良好的碳源，工業(yè)上為降低生產(chǎn)成本，多采用廉價(jià)的甘薯、玉米、小麥及其淀粉、糖蜜等。
高糖濃度是檸檬酸發(fā)酵的一大特征。黑曲霉偏好生理酸性無(wú)機(jī)氮，這是因?yàn)樯硭嵝缘械匿@離子被利用后，使培養(yǎng)基變酸，可以使發(fā)酵中的黑曲霉生長(zhǎng)階段結(jié)束，進(jìn)入產(chǎn)酸階段，PH下降到較低水平有利于檸檬酸的積累；
無(wú)機(jī)鹽是構(gòu)成微生物生命活動(dòng)不可缺少的物質(zhì)。在檸檬酸發(fā)酵中，有的構(gòu)成菌體，有的促進(jìn)代謝，有的促進(jìn)產(chǎn)酸等，因此對(duì)黑曲霉的生長(zhǎng)和檸檬酸發(fā)酵具有重要的作用。
附表1 國(guó)外黑曲霉檸檬酸生產(chǎn)菌的培養(yǎng)基
培養(yǎng)基組成 生孢培養(yǎng)基/(g/L) 發(fā)酵培養(yǎng)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(guó)內(nèi)黑曲霉檸檬酸生產(chǎn)菌的培養(yǎng)基
培養(yǎng)基組成 生孢培養(yǎng)基 發(fā)酵培養(yǎng)基
（1）斜面培養(yǎng)基
麥芽汁
蔗糖
瓊脂
（2）麩曲培養(yǎng)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(rèn)為，深層液體發(fā)酵中，溫度低于28℃，導(dǎo)致長(zhǎng)菌和產(chǎn)酸緩慢；高于37℃，導(dǎo)致菌體和雜酸形成過(guò)量，呼吸作用加強(qiáng)，影響糖酸轉(zhuǎn)化率。故最適生長(zhǎng)溫度為33～37℃。
4.3.3 PH控制
黑曲霉檸檬酸生產(chǎn)菌生長(zhǎng)發(fā)育適宜pH3~7。其菌種生長(zhǎng)期pH維持在4.5；檸檬酸積累時(shí)，產(chǎn)酸期的最適pH為2.0~3.0.pH3.0以上容易產(chǎn)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(jìn)入培養(yǎng)系統(tǒng)的孢子數(shù)量。在一定范圍內(nèi)，孢子接種量與產(chǎn)酸數(shù)量成正比，隨著孢子接種量的增加，檸檬酸產(chǎn)率也提高。
接種方式：采用孢子接種比菌絲接種效果好。因?yàn)椴捎面咦咏臃N：a培養(yǎng)液中孢子數(shù)與接進(jìn)種子罐的孢子相同；b條件出現(xiàn)異常時(shí)，孢子比菌球體更能適應(yīng)；c較幼的種齡，前期產(chǎn)酸稍慢，培養(yǎng)基PH>3.0的時(shí)間延長(zhǎng)，有利淀粉的充分糖化，后期產(chǎn)酸較快，后勁較足，則殘?zhí)禽^低；d次接種操作也就減少一次染菌機(jī)會(huì)，同時(shí)節(jié)約了相應(yīng)設(shè)備的投資及能耗。
4.3.5溶解氧的控制
黑曲霉檸檬酸生產(chǎn)菌是嚴(yán)格的好氧微生物，不管生長(zhǎng)、繁殖、還是產(chǎn)酸均需要氧。菌體生長(zhǎng)過(guò)程呼吸作用消耗大量氧氣，當(dāng)菌體生長(zhǎng)接近對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期時(shí)，需要氧達(dá)到最高峰，隨后菌體生長(zhǎng)緩慢，進(jìn)入產(chǎn)酸期，氧的消耗率降低，并持續(xù)到發(fā)酵終了。
4.3.6泡沫的控制
發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，可能導(dǎo)致跑液或染菌。故可用甘油聚醚等消泡劑消泡，也采用機(jī)械消泡。機(jī)械消泡是借助機(jī)械力將泡打碎或借壓力使泡沫破裂，其優(yōu)點(diǎn)是不用在發(fā)酵液中加入其它物質(zhì)，節(jié)省原料，減少染菌機(jī)會(huì)，缺點(diǎn)是不能從根本上消除引起穩(wěn)定泡沫的因素，消泡效果不如化學(xué)消泡劑迅速可靠，需要一定的設(shè)備和動(dòng)力。
化學(xué)消泡劑迅速可靠，用量少，效率高，故本設(shè)計(jì)選用化學(xué)消泡劑進(jìn)行消泡。
5 生產(chǎn)工藝計(jì)算
5.1物料衡算
5.1.1工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
（1）生產(chǎn)規(guī)模：100t/a 99.5%一水檸檬酸折合成91.625t/a 99.5%無(wú)水檸檬酸；
（2）生產(chǎn)方法：外加耐高溫α-淀粉酶液化，深層液體發(fā)酵，鈣鹽干法提取；
（3）生產(chǎn)天數(shù)：每年300天；
（4）食用99.5%無(wú)水檸檬酸日產(chǎn)量：91.625÷300=0.305t，
（5）食用99.5%無(wú)水檸檬酸年產(chǎn)量：0.305×300=91.5t；取整數(shù)為92t
（6）產(chǎn)品質(zhì)量：國(guó)際食用檸檬酸99.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），實(shí)際產(chǎn)率98%，副產(chǎn)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(wú)水氯化鈣用量0.1%
（10）碳酸鈉用量0.15%
（11）操作參數(shù)：淀粉糖轉(zhuǎn)化率98.5%，糖酸轉(zhuǎn)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(chǎn)酸率（即糖發(fā)酵液轉(zhuǎn)化率）13%；發(fā)酵周期75h，發(fā)酵溫度（35 1）℃，發(fā)酵通風(fēng)量10 V/(V發(fā)酵液·h)。
5.1.2原料消耗計(jì)算（基準(zhǔn)：一噸成品檸檬酸）
年產(chǎn)100噸一水檸檬酸，折合無(wú)水檸檬酸，按1995年5月，中國(guó)發(fā)酵工業(yè)協(xié)會(huì)檸檬酸分會(huì)制定的“檸檬酸行業(yè)統(tǒng)計(jì)辦法”：
無(wú)水檸檬酸需要量為：100÷1.0914=91.625 t/a
（1）生產(chǎn)無(wú)水檸檬酸的總化學(xué)反應(yīng)式：
162 192
X 1000
（2）生產(chǎn)1000kg99.5%無(wú)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(chǎn)1000kg99.5%無(wú)水檸檬酸所需實(shí)際淀粉消耗量：
X÷(98.5%×95%×95%×98%×99%)=973.4kg
（4）生產(chǎn)1000kg99.5%無(wú)水檸檬酸所需實(shí)際薯干粉原料消耗量：
973.4÷70%=1390.57kg
（5）α-淀粉酶的消耗量：應(yīng)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(jì)算；有：
1390.57×103×8÷20000=0.56kg
5.1.3發(fā)酵醪量及接種量的計(jì)算
根據(jù)發(fā)酵液轉(zhuǎn)化率為13%：
1000×99.5%÷（95%×98%×13%）=8221.1kg
接種量為發(fā)酵醪的10%，則：
8221.1×10%÷110%=747.37 kg
5.1.4液化醪量計(jì)算
因?yàn)槌墒煺糁篚矠椋?221.1-747.37-0.56=7473.17kg
則調(diào)漿濃度為：1390.57×100%÷7473.17=18.6%
粉漿的干物質(zhì)濃度為：973.4×100%÷7473.17=13.03%
蒸煮直接蒸汽加熱,采用連續(xù)液化工藝:
操作流程:
(1) 混合后粉漿溫度為50℃，應(yīng)用噴射液化器迅速使粉漿升溫至100℃。升溫后進(jìn)入維持罐，使料液保溫20～30min以完成液化，進(jìn)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℃?zhèn)溆谩?br /> (3) 調(diào)漿及液化滅菌時(shí)產(chǎn)生的泡沫可用少量泡敵消泡。
工藝計(jì)算:
干物質(zhì)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(zhì)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(jiǎn)化計(jì)算，定液化醪的比熱容在整個(gè)過(guò)程中維持不變.
經(jīng)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(chǎn)檸檬酸量為：91.625÷300=0.305 t/d
即結(jié)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(zhì)原料年產(chǎn)100噸一水檸檬酸總物料衡算
即對(duì)生產(chǎn)91.625t/a99.5%無(wú)水檸檬酸的薯干原料檸檬酸進(jìn)行計(jì)算。
（1）檸檬酸成品
日產(chǎn)食用99.5% 無(wú)水檸檬酸量為0.305t
日產(chǎn)副產(chǎn)品為：0.305×2÷98=0.0063t
則日產(chǎn)總量為：0.312t
實(shí)際年產(chǎn)量為：食用檸檬酸量為：0.305×300=91.5t/a；取整為92t
副產(chǎn)物為：0.0063×300=1.89 t/a
總產(chǎn)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(jù)以上計(jì)算，將物料衡算結(jié)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(chǎn)品耗物量
（kg） 年產(chǎn)100噸耗物量
每天（t/d） 每年(t/a)
食用檸檬酸 980 0.305 92
副產(chǎn)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(fā)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(wú)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(jì)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(jīng)過(guò)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(fā)酵過(guò)程中的蒸汽耗量的計(jì)算
（1）蒸汽用量的計(jì)算公式
整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程采用蒸汽加熱，
蒸汽耗用量計(jì)算公式為：
式中：η——為蒸汽的熱效率，取 ；
I——汽化潛熱。
（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
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(jì)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(diào)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(chǎn)過(guò)程中蒸汽耗量的計(jì)算
①培養(yǎng)基滅菌及管道滅菌：
培養(yǎng)基采取連消塔連續(xù)滅菌，進(jìn)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(yǎng)基含糖量19%。
其數(shù)量為：2.1×13%÷19%=0.05t
滅菌加熱過(guò)程中用0.3MPa，蒸汽（表壓）I=2725.3kJ/kg，由維持罐（90℃），進(jìn)入連消塔加熱至130℃，糖液比熱容3.69 。
每罐滅菌時(shí)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(yǎng)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(guān)管道滅菌用蒸汽量，據(jù)經(jīng)驗(yàn)取培養(yǎng)基滅菌用蒸汽量的10%，則：D1=1.45×10%=0.145t/d。
② 加熱發(fā)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(jì)算：
C=(0.99-0.66ω+0.0010t) ×4.16
式中：0.99——比熱容kJ/kg·℃
ω——檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，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(fā)酵段蒸汽衡算列于表4
表4 發(fā)酵車間蒸汽衡算
生產(chǎn)
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(yǎng)基滅菌 1.45 0.06 435
加熱發(fā)酵醪 0.41 0.02 123
空罐滅菌 0.145 0.006 135
合計(jì) 2.00 0.0086 693
6.發(fā)酵罐及種子罐的設(shè)計(jì)與選型
6.1發(fā)酵罐的選型
當(dāng)前，我國(guó)檸檬酸發(fā)酵占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍是機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，即通常所說(shuō)的通用罐。選用這種發(fā)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(jīng)驗(yàn)，成功率高。
此外在檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備方面，大型氣升式發(fā)酵罐仍處于試用攻關(guān)階段。從試用情況看，由于氣升式罐在生產(chǎn)周期、產(chǎn)酸率、供氧周期波動(dòng)的影響、通風(fēng)量增加的綜合能耗、生產(chǎn)的穩(wěn)定性及可重復(fù)性等因素，所以多數(shù)廠家目前仍延用機(jī)械攪拌通風(fēng)式發(fā)酵罐。因而，就本項(xiàng)目而言，按技術(shù)成熟，可靠、穩(wěn)妥的原則，結(jié)合檸檬酸工程中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)罐內(nèi)空氣分配器進(jìn)行適當(dāng)改造，成為新型的通風(fēng)式機(jī)械攪拌型發(fā)酵罐。其攪拌功率，比相同容積的通用發(fā)酵罐降低約10%。
從生物發(fā)酵行業(yè)醪液處理供料的均衡性考慮，發(fā)酵放罐間隔時(shí)間不宜大于8小時(shí)，在技術(shù)可靠的前提下，大罐放料容積不大于400 m3。
結(jié)合目前本行業(yè)發(fā)酵技術(shù)的現(xiàn)狀，目前國(guó)內(nèi)行業(yè)成熟技術(shù)水平、加工技術(shù)水平，企業(yè)可能達(dá)到的發(fā)酵控制管理水平等，從生產(chǎn)的可靠性、可實(shí)施性等方面考慮，本設(shè)計(jì)擬采用容積約3 m3 的新型通風(fēng)發(fā)酵罐。
現(xiàn)以此類發(fā)酵罐進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。
6.1.1發(fā)酵罐容積和臺(tái)數(shù)的確定
（1）發(fā)酵初糖濃度：
由前面的計(jì)算可知，發(fā)酵液中檸檬酸的含量為0.328 t/d，則根據(jù)：
180 192
可計(jì)算出葡萄糖量為：0.328×180÷192=0.307t/d
則發(fā)酵初糖濃度為：0.307×100%÷2.57=12%
（2）生產(chǎn)能力的計(jì)算：
現(xiàn)每天產(chǎn)99.5%純度的檸檬酸0.305t，檸檬酸發(fā)酵周期為75h（包括發(fā)酵罐清洗、滅菌、進(jìn)出物料等輔助操作時(shí)間）。則每天需糖液體積為V糖。每天產(chǎn)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(shè)發(fā)酵罐的填充系數(shù) =70%，則每天需要發(fā)酵罐的總?cè)莘e為Vo(發(fā)酵周期為48h）。
VO=V÷ =2.30÷70%=2.9m3
（3）發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定：
現(xiàn)選擇總?cè)莘e為3000L的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐為例，則需要發(fā)酵罐的個(gè)數(shù)為
每臺(tái)罐的產(chǎn)量為：3×0.7×13%×95%×98%=0.25t
發(fā)酵罐所需個(gè)數(shù)= = =3.81
取總?cè)莘e3m3發(fā)酵罐4個(gè)；
每日投（放）罐次：0.305÷0.25=1.22取整為放罐2次
(4)實(shí)際產(chǎn)量驗(yàn)算：
富裕量 能滿足生產(chǎn)量要求
6.1.2主要尺寸的計(jì)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(yàn)算全容積V全：
V全= Vˊ全
符合設(shè)計(jì)要求，可行。
6.1.3發(fā)酵罐冷卻面積的計(jì)算
對(duì)檸檬酸發(fā)酵，每1m3發(fā)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(jīng)驗(yàn)值K＝4.18×500kJ/( m3•h•℃)。
平均溫差為：
35℃ 35℃
15℃ 28℃
20 7
代入得： = ℃
對(duì)總體積為3 m3的發(fā)酵罐，每次裝2罐，每罐實(shí)際裝液量為：
2.30÷2=1.15 m2
換熱面積
6.1.4發(fā)酵罐攪拌器的設(shè)計(jì)
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(guān)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(zhǎng):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(zhǎng):L=0.25d=0.25×0.33=0.083m
葉距:Y=D=1m
彎葉板厚:δ=12mm
（2）轉(zhuǎn)速：取四檔攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N可根據(jù)50 m3罐，攪拌器直徑1.05 m，轉(zhuǎn)速n=110r/min,以等PO/N為標(biāo)準(zhǔn)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(fā)酵罐設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)
（1）空氣分布器
本罐使用單管進(jìn)風(fēng)，風(fēng)管直徑計(jì)算見(jiàn)后面的接管設(shè)計(jì)。
（2）檔板
檔板的作用是加強(qiáng)攪拌強(qiáng)度，促使液體上下翻動(dòng)和控制流型，防止產(chǎn)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(shè)檔板。
（3）密封方式
本罐采用雙面機(jī)械密封方式，處理軸與罐的動(dòng)靜問(wèn)題。
（4）冷卻管布置
豎式蛇管冷卻裝置。
求最高熱負(fù)荷下的好水量W：
式中：Q總-- 每1 m3醪液在發(fā)酵最旺盛時(shí)，1h的發(fā)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(shù)和管徑
設(shè)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(jù)流體力學(xué)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(shù)N，根據(jù)管的大小一般取3、4、6、8、12……組，通常每組管圈數(shù)不超過(guò)6圈，增加組數(shù)可排下更多的冷卻管，管與攪拌器的最小距離不應(yīng)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(yīng)大于100mm，主要考慮便于安裝、清洗和良好傳熱。
根據(jù)發(fā)酵罐的實(shí)際情況，取管徑。由上式得：
do= = =0.04m
查金屬材料表選取 無(wú)縫管， ＝68mm> ， ＝72mm，現(xiàn)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(zhǎng)度：
＝ ＝3.14×400＝1256mm
長(zhǎng)度L的計(jì)算： 冷卻管總面積F＝0.06 m2，無(wú)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(zhǎng)Lo和管組高度：Lo=0.285÷8=0.035m
另需連接管8m:L實(shí)=L+8=0.285+8=8.825m
6.2種子罐的選型
發(fā)酵所需的種子從試管斜面出發(fā)，經(jīng)活化培養(yǎng)，搖瓶培養(yǎng)，擴(kuò)大至一級(jí)乃至二級(jí)種子罐培養(yǎng)，最終向發(fā)酵罐提供足夠數(shù)量的健壯的生產(chǎn)種子。
種子罐的選型同發(fā)酵罐，采用機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。
6.2.1種子罐容積和數(shù)量的確定
（1）種子罐容積的確定：接種量按10%計(jì)算，則種子罐容積V種為：
V種=V總×10%=3×10%=0.3m3
式中： ——發(fā)酵罐總?cè)莘e（m3）。
（2） 種子罐個(gè)數(shù)確定：種子罐與發(fā)酵罐對(duì)應(yīng)上料。發(fā)酵罐平均每天上2罐，需種子罐2個(gè)。種子罐培養(yǎng)20h，輔助操作8~10h，生產(chǎn)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(jī)械攪拌通風(fēng)罐。H/D=2/1，則種子罐總體積： ；簡(jiǎn)化計(jì)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(jì)算，選用容積為0.3m3的機(jī)械攪拌通風(fēng)式發(fā)酵罐作為種子罐。
現(xiàn)將年產(chǎn)100噸檸檬酸工廠糖化、發(fā)酵車間設(shè)備列于下表：
表5 年產(chǎn)100噸檸檬酸工廠糖化、發(fā)酵車間設(shè)備一覽表
序號(hào) 設(shè)備名稱 規(guī)格與型號(hào) 臺(tái)數(shù) 材料 備注
1 發(fā)酵罐 V=3m3，
4 1Gr18Ni9Ti鋼 專業(yè)設(shè)備
2 種子罐 V=0.3 m3，
2 A3鋼 專業(yè)設(shè)備
3 預(yù)過(guò)濾器 JLS-Yu-045 4 金屬鎳 專業(yè)設(shè)備
4 蒸汽過(guò)濾器 JLS-F-035 4 金屬鎳 專業(yè)設(shè)備
5 金屬過(guò)濾器 JLS-045 4 金屬鎳 專業(yè)設(shè)備
6 液化醪泵 IS80-50-200 1 機(jī)體鑄鐵 通用設(shè)備
7 硫酸銨溶液輸送泵 IS80-50-200 1 機(jī)體鑄鐵 通用設(shè)備
8 種子液輸送泵 IS80-50-200 2 機(jī)體鑄鐵 通用設(shè)備
9 發(fā)酵醪液輸送泵 IS80-50-200 2 機(jī)體鑄鐵 通用設(shè)備
10 自來(lái)水輸送泵 IS80-50-200 1 機(jī)體鑄鐵 通用設(shè)備
11 硫酸銨貯罐 V=3 m3 1 1Cr18Ni9Ti鋼 非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備
12 發(fā)酵醪貯罐 V=3m3 1 1Cr18Ni9Ti鋼 非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)
13 調(diào)漿桶 V=3 m3 1 1Cr18Ni9Ti鋼 專業(yè)設(shè)備
結(jié)論
...
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