计算

第三章物料及水、电，汽、冷、压空等衡算一、计算基本参数生产规模：30000t/a年生产天数：300d/a日产量：100t柠檬酸纯度：＞99.5%发酵周期：60h生产周期：72h填充系数：75%染菌率：1%糖酸转化率：95%柠檬酸提取率：90%菌种代号：Co827发酵罐台数：台(NH4)2SO4：用量：0.25%采用原料：木薯干薯干淀粉含量：76.7%水分：12.9%淀粉转糖：90%α-淀粉酶用量：88.02t生产方法：液体深层发酵发酵醪液相对密度：1.38二、柠檬酸生产能力的计算1.生产能力计算（1）纯度为99.5%的柠檬酸年产量为：30000t，折算成100%的柠檬酸的量为：30000×99.5%＝29850t（2）日产量（纯度为100%的柠檬酸），一年按300天工作时间计算：29850÷300＝99.5t2.总物料衡算[4]（1）1000kg纯淀粉理论上产100%柠檬酸的量为：1000×1.11×1.07＝1187.70kg式中，1.11——淀粉转与葡萄糖的相对分子质量比；1.07——葡萄糖与柠檬酸的相对分子质量之比。（2）1000kg纯淀粉实际产100%柠檬酸的量为：1000×1.11×90%×1.07×95%×90%×99%＝904.80kg式中，90%——淀粉转糖转化率；95%——糖转酸转化率；90%——柠檬酸提取率；99%——染菌率按1%计算，则发酵成功的机率为99%。（3）1000kg工业淀粉（含量76.7%的薯干）实际生产100%柠檬酸的量为：904.80×76.7%＝693.98kg（4）淀粉单耗○11t100%柠檬酸理论上消耗纯淀粉的量为：1000÷1187.70＝0.84t○21t100%柠檬酸理论上消耗工业淀粉的量为：0.84÷76.7%＝1.10t○31t100%柠檬酸实际消耗纯淀粉的量为：1000÷904.80＝1.11t○41t100%柠檬酸实际消耗工业淀粉的量为：1000÷693.98=1.44（5）总收率）理论产量（）实际产量（kgkg×100%＝70.11878.904×100%＝76.18%（6）淀粉利用率44.110.1＝76.39%（7）生产过程总损失100%－76.39%＝23.61%3.产酸率核算[5]（1）、淀粉浆量及加水量:淀粉加水比例为：1∶3，1000kg工业淀粉生产淀粉浆的量为：1000×（1＋3）＝4000kg（2）、粉浆干物质浓度：1000×76.7%÷4000＝19.18%（3）、α-淀粉酶用量（应用酶活为2000u/g的酶，按8u/g原料计算）200081000＝4kg采用高温α-淀粉酶，故可不加CaCl2（4）、液化液产量[11]1000×76.7%×1.11×90%÷19.8%＝3869.86kg查表得[12]，19.18%的液化液的相对密度为1.076，则，液化液的体积为：3869.86÷1.076＝3596.52L消耗蒸汽量：（应该是淀粉浆的比热容）C＝1.55×10018.19＋4.18×10018.19100－＝3.68kJ/（kgK）液化消耗蒸汽量：W1＝3775.274829336368.386.3869－－）（＝420.36kg灭菌消耗蒸汽量：W2＝7.5045.2748)363393(68.386.3869＝190.41kg产酸率：441.19036.42086.386998.693=15.5%4.发酵罐数的确定[6]200m3发酵罐，全容积为218m3，除去列管、搅拌器等所占的体积，有效容积仍按200m3计，装料系数设为75%，则单产为：200×75%×15.5%＝23.25t柠檬酸的日产量为：29850÷300＝99.5t生产周期为72h，发酵周期为60h则发酵罐台数为：25.235.99×2472＝12.8台，取13台每日投放料罐次：25.235.99＝4.28台日运转：12.8×7260＝10.67台5.实际年产量核算300×4.28×23.25＝29853t富裕量：2985029850-29853=0.01%满足设计要求。三、各工段物料衡算1.液化工段（1）生产23.25t柠檬酸所需的淀粉浆量%99%90%95%9025.23＝30.52t折合成含淀粉76.7%的薯干的量为：%7.7652.30＝39.79t（2）调浆料水比为1∶2.5，则，淀粉浆量为：39.79×（1＋2.5）＝139.27t加水量为：30.52×2.5＝76.3t（3）α-淀粉酶的用量：20001000852.30＝122.08kg（4）液化蒸汽用量：3775.2748)293363(68.327.139＝15.13t（5）灭菌蒸汽用量7.5045.2748)363393(68.327.139＝6.85t2.发酵工段[4]（1）发酵液总重：139.27+15.13+6.85＝161.25t（2）发酵液体积：161.25÷1.09＝147.94m3（3）接种量：按1%w/v计算，147.94×1%＝1.4794t（4）(NH4)2SO4用量：按7kg/t计算，（147.94＋1.4794）×7÷1000＝1.046t∴发酵罐中液体的总质量为：161.25+1.4794+1.046=163.77t总体积为：09.177.163＝150.25m3核算装料系数：20025.150×100%＝75%（5）加入消泡剂的量：设为发酵液的0.05%w/v，147.940.05%1000=73.97kg消泡剂的相对密度为0.8，则，消泡剂的体积为：73.97÷0.8＝92.46L（6）发酵过程中从排风带走的水分：设进风温度为25℃，相对湿度φ＝70%，水蒸汽分压为18mmHg（1mmHg＝133.322Pa）。设排风温度为32℃，相对湿度φ＝100%，水蒸汽分压为27mmHg。进罐空气的压力为1.5个大气压（表压）（1个大气压＝1.01325×105Pa），排风的压力为0.5个大气压（表压）。则，出进空气的湿含差为：X出－X进＝0.622（%100277605.1%10027－－%70187605.2%7018－）＝0.01kg水/kg干空气通风比为：1∶0.2，则，带走的水分的量为：147.94×0.2×60×60×1.157×0.01＝1232.40kg＝1.23t式中，60——单位换算，1h＝60min；1.157——32℃时干空气的密度（kg/m3）（7）过程分析、放罐残留以及其他损失：设共计52kg（8）发酵终了时醪液的数量：150.25－1.23－0.052＝148.97t3.提取工段[8]（1）发酵醪液中总酸的质量为：30.52×90%×95%＝26.09t其中，90%为柠檬酸，主要杂酸为0.2%的葡糖酸和0.25%的草酸。（2）中和工段○1CaCO3的需要量柠檬酸：2C6H8O7·H2O＋3CaCO3→Ca3(C6H5O7)·4H2O↓＋3CO2↑＋H2O2×2103×100570草酸：C2H2O4＋CaCO3→CaC2O4↓＋CO2↑＋H2O90100葡糖酸：2C6H12O7＋CaCO3→Ca(C6H11O7)2↓＋CO2↑＋H2O2×196100中和柠檬酸所需要的CaCO3量：21021003%9009.26＝16.78t中和草酸酸所需要的CaCO3量：90100%25.009.26＝0.072t中和葡糖酸所需要的CaCO3量：196100%2.009.26＝0.027t故中和工段所需要的CaCO3量为：16.78+0.072+0.027=16.879t○2生成的柠檬酸钙的量为：2102570%9009.26＝31.87t○3洗涤柠檬酸钙的水量设洗水用量为滤饼的3.5倍，则，清洗所消耗的水的质量为：31.87×3.5＝111.545t（3）酸解工段Ca3(C6H5O7)·4H2O＋3H2SO4＋2H2O→3CaSO4·2H2O↓＋2C6H8O75703×983×17231.87xy87.31570＝x983得，x＝16.44t87.31570＝y1723得，y＝28.85t○1酸解工段H2SO4的消耗量为：%9844.16＝16.78t98%的H2SO4的密度为1.84。则，H2SO4的体积为：84.178.16＝9.12m3○2水和稀酸的加入量：在加入H2SO4前，需先加入一定量的水或稀酸，其用量为钙盐的2倍，则：31.87×2＝63.74t○3石膏的生成量：由前面计算得，为28.85t○4洗涤水用量：28.85×3.5＝100.975t○5可得到的柠檬酸的量：石膏中柠檬酸钙的含量一般为0.1~0.2%，柠檬酸的含量一般为0.2~0.5%。前者取0.15%，后者取0.35%，计算可得柠檬酸的量为：26.09×90%－(5701922%15.087.31＋31.87×0.35%)＝23.44t（4）浓缩工段○1浓缩后，浓缩液的质量为：23.44/0.8=29.3t（5）结晶工段○1浓缩为83%时柠檬酸的质量为：23.44/0.83=28.24t○3结晶析出的柠檬酸的量：因为要制取无水柠檬酸，结晶的终温不得低于40℃，选用42℃进行结晶，查表[2]得：42℃下，柠檬酸在水中的溶解度为69.71，设所析出的柠檬酸的质量为xt，其中含2.5%的游离水，则有：23.44－x(1－2.5%)＝71.6910071.69　(28.24－x)解之，得：x＝21t则，纯净的无水柠檬酸的量为：21×(1－2.5%)＝19.37t母液中剩余的柠檬酸的量为：23.44－19.37＝2.965t母液的浓度：由于第一次析出柠檬酸晶体后，母液由过饱和变为饱和，则母液的浓度为：71.6910071.69　×100%＝41.08%母液量：2.965/0.83=3.57再次于42℃下结晶，得晶体的量，设为y，有：2.965－y(1－2.5%)＝71.6910071.69(3.57－y)解之，得：y＝2.76t得：含水2.5%的柠檬酸晶体的量为：21＋2.76＝23.76t（6）干燥工段干燥后，无水柠檬酸含水0.5%，则干燥工段所需除去的水分最终每罐每批得到的产品的量为：23.76x(1-0.0025-0.0005)＝23.28前面要求单罐每批次生产能力为23.25t，经计算得23.28t，生产过程能满足预定产量的要求。四、热量衡算以单罐的耗量作为基准进行计算。1.液化工段[6]（1）液化蒸汽用量：3775.2748)293363(68.327.139＝15.13t（2）灭菌蒸汽用量7.5045.2748)363393(68.327.139＝6.85t（3）培养基冷却水用量：由前面物料衡算有，每一罐的培养基的数量为139.23t，则：120℃热料用二次水冷却至35℃，冷却水由20℃升至95℃，则，冷却水量为：W＝18.4)2095()35120(68.323.139＝138.96t全天用水量为：138.96×5.17＝718.42t（3）发酵罐空罐灭菌蒸汽用量○1发酵罐体加热200m3的发酵罐自重34.3t，冷却排管重6t，罐体材料的比热容为0.5kJ/(kgK)，用0.2MPa（表压）蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15MPa（表压）下，由20℃升至127℃。其蒸汽量为：18.41272718)20127(5.0)600034300(＝986kg○2填充发酵罐空间所需的蒸汽量：因200m3发酵罐的全容积大于200m3，考虑到罐内的排管、搅拌器等所占的空间，罐的自由空间仍然按200m3计算。填充空间所需蒸汽的量为：D空＝Vρ＝200×1.622＝324.4kg式中，V——发酵罐自由空间，即全容积，m3；ρ——加热蒸汽的密度，kg/m3，0.2MPa（表压）时为1.622。○3灭菌过程的热损失辐射与对流联合给热系数α，罐外壁温度为70℃。α＝33.9＋0.19（70－20）＝43.4kJ/(m2hK)200m3发酵罐的表面积为201m2，耗用蒸汽