年产1万吨维生素C发酵工艺的设计说明.doc

. 目录1 绪论 11.1 维生素C简介 11.2 维生素C主要作用 12 工艺流程设计 32.1 空气除菌过程 32.2 第一步发酵过程 32.3 第二步发酵过程 42.4 2-酮基-L-古龙酸的提取分离过程 42.5 碱转化法合成Vc 52.6 发酵工艺条件的优化 53 物料衡算及能量衡算 63.1 物料衡算 63.2 能量衡算 64 重点设备设计 84.1 选择设备的原则 84.2 主要设备选型与计算 84.3 辅助设备选型 144.4 提取工序设备选型 164.5 包装 18参考文献 20 / 1 绪论1.1 维生素C简介维生素C（Vitamin C，Ascorbic Acid）是—种水溶性维生素，水溶液具有—定的酸性又抗坏血病，所以又叫抗坏血酸分子式：C6H8O6；分子量：176.13结构式：由于维C分子中存在两个不对称碳原子，决定了维C有四个同分异构体，其中L（+）—VC的抗坏血病效力最强维生素C分子中的烯二醇结构不稳定容易被氧化，并且氧化作用随着热、光、重金属的催化作用和溶液碱性的增加而增强。

人类不能自身合成维C，只能从食物中摄取其中水果和蔬菜中含有较多的维生素C，维生素C通常被小肠上段吸收，然后分布于身体的所有水溶性结构中，正常人体维生素C代活性池中约有1500mg维生素C，最高储存峰值为3000mg维生素C正常情况下，维生素C在体经代分解成草酸或与硫酸结合生成抗坏血酸-2-硫酸由尿排出有时也会有少量的维C直接由尿排出体外1.2 维生素C主要作用维生素C能促进胶原蛋白的合成，胶原蛋白又参与细胞的连接当维生素C缺乏时，胶原不能正常合成，导致细胞连接障碍，微血管容易破裂，血液流到邻近组织，人体各部位易出血，呼吸恶臭，牙龈脱落，皮肤表面易产生瘀斑和紫斑，关节胀痛，严重时可导致死亡可通过补充维生素C加以治疗维生素C具有强还原性、酸性，能与体氧化性有毒物质发生氧化还原反应，碱性有毒物质发生中和反应降低物质毒性维生素C能有效抑制体的氧化作用，还能辅助淋巴单核细胞及白血球对乙醛、磺胺、普鲁卡因、巴比妥、水酸等药物的解毒作用，此外维生素C还能对重金属铅、镉、贡等具有较强解毒作用具测定，人体在患病状态维生素C的含量会急剧减少；维生素C可提高CI补体酯酶活性，增加补体CI的产生，促进干扰素的产生，干扰病毒mRNA的转录，抑制病毒的增生；维生素C可参与免疫球蛋白的合成，调节人体物质代和能量代的平衡，增强人体白血球的吞噬能力，提高机体免疫力。

的作用维生素c有降低血中甘油三酯和胆固醇的作用它可促进胆固醇在肝脏转移，从而降低血中胆固醇含量并减少动脉粥样斑块的形成实验观察到维生素c可增加心肌收缩力、增加心排血量、增强心室舒性能，抑制心律失常等有文献报道维生素C能影响肿瘤凋亡相关基因p53、c-myc及Bcl-2的表达[1]，抑制肿瘤细胞DNA复合物合成，干扰肿瘤细胞代周期，诱导肿瘤细胞的分化，限制肿瘤细胞的生长，促进肿瘤细胞凋亡 应用维生素C在腌肉中的作用 抗坏血酸钠应用于香肠制品和传统肉制品的加工中，能促进腌肉色素的合成，拟制肉毒杆菌生长和亚硝基胺的合成；维生素C在水果和蔬菜中的作用 因为维生素C易被空气中的氧氧化，所以对含有空气的密封包装产品具有特殊意义，维生素C含量低的水果和蔬菜添加抗坏血酸后，可以有效的阻止氧化作用，保持水果的颜色和风味；维生素在酿造制品中的作用 啤酒在储藏期间易产生浑浊，产品的颜色、香味和滋味都会有变化，维生素C是一种合乎要求的食品添加剂，在啤酒中用作抗氧化剂，提高啤酒的澄清度 维生素C对畜禽、鱼类的生长发育起着非常重要的作用，在应用中我们一定要选择稳定性、缓释性好，利用率高的维生素C添加剂产品，使养殖业获得最佳收益。

维生素C用于化妆品中具有抗衰老、美白的作用还有祛斑美白的效果2 工艺流程设计我国两步发酵工艺是20世纪70年代由中国科学院微生物研究所和制药厂共同建立的，包括2个发酵步骤，故称两步发酵法第一步是在醋酸杆菌作用下将D-山梨醇氧化为L-山梨糖，俗称醇糖转化；第二步是在混合菌系的作用下将L-山梨糖进一步氧化为2-酮基-L-古龙酸，俗称糖酸转化我国Vc混合菌发酵技术具有很大的优势和潜力，其突出优势就是第二步糖酸转化效率非常高混合菌发酵法在国的成功应用也引起了国外的广泛关注，并与上世纪80年代向瑞士Hoffmann La—Roche公司进行了技术转让[2]此法切实可行，整个过程的工艺流程：D-山梨醇 → L-山梨糖 → 2-酮基-L-古龙酸 → L-抗坏血酸说明：第一步发酵：D-山梨醇由微生物氧化成L-山梨糖； 第二步发酵：L-山梨糖由大菌、小菌转化为2-酮基-L-古龙酸；然后把2-酮基-L-古龙酸通过化学方法合成维生素C2.1 空气除菌过程维生素C的发酵过程属于好氧发酵，因此需要大量的无菌空气本设计采用两级冷却、分离、加热的空气除菌流程：空气→粗过滤器→空压机→储罐→冷却器→旋风分离器→冷却器→丝网分离器→加热器→过滤器→（灭菌空气）这种流程的特点：2次冷却、2次分离、适当加热。

2次冷却、2次分离油水的主要优点是可节约冷却用水，油和水污分离除去比较完全，保证干过滤经过第一级冷却后，大部分的水油都已结成较大的雾粒，且雾粒浓度比较大，故适宜于用旋风分离器分离第二级冷却器使空气进一步冷却后析出较小的雾粒，易采用丝网分离器分离，这类分离器可分离较小直径雾粒且分离效果高经2次分离后，空气带的雾沫就较小，两级冷却可以减小油膜污染对传热的影响[3]2.2 第一步发酵过程生黑葡萄糖酸杆菌R-30[4]，细胞椭圆至短杆状，G+，无芽孢，显微镜下浅褐色；最适培养温度34℃，pH 5.0～5.2，经扩大培养，接入发酵罐种子和发酵培养基成分一致，主要包括D-山梨醇、玉米浆、酵母膏、碳酸钙等成分，添加适量维生素B增加产量D-山梨醇浓度过高容易产生抑制，一般控制在20%，超过250g/L产生抑制控制温度34℃，pH 5.0～5.2该反应耗氧比较大，同气比要求1:110h后发酵结束，发酵液经80℃ 10min低温灭菌，移入第二步发酵罐作原料D-山梨醇转化L-山梨糖的生物转化率达98%以上2.3 第二步发酵过程由小菌【氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)】和大菌【巨大芽孢杆菌(Bacillus rnegaterium)】组成的混合菌株进行发酵生产。

其中小菌为产酸菌，单独培养时生长微弱，产酸较少；大菌为伴生菌，不产酸，但促进小菌生长或产酸大小菌之间是一种协同共生关系，即大茵促进小菌生长和产酸，小菌也使大菌生长加快种子培养基和发酵培养基成分类似，主要有L-山梨糖、玉米浆、尿素、碳酸钙、磷酸二氢钾等，pH值为6.8L-山梨糖初始浓度对产物生成影响较大，一般初糖浓度控制在30～50g/L超过80g/L产生抑制由于大菌、小菌最适培养条件不同[5]，如小菌25～30℃，大菌28～37℃，所以发酵过程要兼顾两种菌的最适条件通常操作温度为30℃，pH值为6.8左右，溶氧浓度控制30%混合菌种经二级种子扩大培养，接入含有第一步发酵液的发酵罐中，通入无菌空气搅拌，初始8～10h菌体快速增长[6]当作为伴生菌的大菌开始形成芽孢时，小菌开始产酸在20～24h开始补加培养L-山梨糖，总浓度达到140g/L[7]当大菌完全形成芽孢后，产酸达到高峰，发酵结束[8]大约72h左右，L-山梨糖生成2-酮基-L-古龙酸的转化率可达70%～80%2.4 2-酮基-L-古龙酸的提取分离过程经过两次发酵以后，发酵液中2-酮基-L-古龙酸含量仅约6%～8%，残留的菌丝体、蛋白质和悬浮微粒等杂质存在于发酵液中[9]，需要将Vc前体——2-酮基-L-古龙酸提取出来。

工艺流程（图2-1）：2.5 碱转化法合成Vc将2-酮基-L-古龙酸与甲醇反应生成2-酮基-L-古龙酸甲酯，该酯在NaHCO3的作用下酯化生成VC钠盐，该钠盐经阳离子交换柱酸化后转变为VC，再经脱色、浓缩、结晶等工序得到纯VC[10]工艺流程（图2-2）：2.6 发酵工艺条件的优化对于任何一种发酵产品，肯定存在着抑制该物质大量积累的影响因素[11]除了从代调控、微生物生理等角度研究这些因素对产酸积累的影响规律外，在发酵工艺的设计中我们还可以从加速底物消耗，缩短发酵时间，降低能耗，降低生产成本的角度来提高生产效率[12]进而提出相应的控制方法或策略，可望实现产品的高产量、高产率和高生产强度的相对统一3 物料衡算及能量衡算3.1 物料衡算根据维生素C的生产工艺:维生素C的年产量为10000吨，因此生产维生素C的原料使用量(以最高使用量计)如下:倒灌率：1%；D-山梨醇（M=182）到L-山梨糖转化率[4]：98%；L-山梨糖转化率到2-酮基-L-古龙酸（M=194）转化率：80%；2-酮基-L-古龙酸到维生素C（M=176）的转化率：95%；则D-山梨醇到维生素C的理论转化率为：η=98%*80%*95%=74.48%D-山梨醇的年需求量：X=[(1/176)*182]/ η=1.3884wt;D-山梨醇的日需求量：1.384*10000/300=46.28t;（一年按300个工作日计算）表3-1 投料清单物料名称每周期原料消耗量全年原料消耗量/t山梨醇13.8841388.4玉米浆2.6322632硫酸铵1.981980磷酸氢二钾0.68680磷酸二氢钾1.1271127蛋白胨酵母膏28.46328463可溶性淀粉20.34820348尿素7.36m³7360m³3.2 能量衡算2-酮基-L-古龙酸在发酵液中的浓度：6%；每天2-酮基-L-古龙酸（M=194）的产量： [(46.28*98%*80%)/182]*194=38.68t；每天处理发酵液总量：36.68t/6%=644.60t；第一步发酵完成后发酵液经80℃，10分钟低温灭菌，然后冷却到30℃进行第二步发酵，因此菌种系统冰水日耗量计算如下:发酵液的比热：3.82KJ/Kg；冷水比热容4.20 KJ/Kg，冷却前后温度变化20℃-50℃。

Q=CM△T；Q冰水=Q发酵液每天清洗需要加热清洗介质，根据清洗用管式换热器的设计数据，但是基本上不会同时消耗蒸汽，因此可以按照70%，进行计算，即平均消耗蒸汽5000Kg/天电耗和压缩空气的耗量与设备的生产能力有关，将设备清单中设备的消耗量累计，即可得到能源的消耗，由于工厂不会所有设备同时运转，因此根据经验以该数据总量的70%对其进行计算4 重点设备设计4.1 选择设备的原则从设备的设计选型上，可以反映出所设计工厂的先进性和生产的可靠性因此在设备的工艺设计和选型时应考虑如下原则:(1)保证工艺过程实施的安全可靠2)经济上合理，技术上先进3)投资省，耗材料少4)运行费用低，水电汽消耗少5)操作清洗方便，耐用易维修，备品配件供应可靠，减轻工人劳动强度，实施机械化和自动化方便6)结构紧凑，尽量采用经过实践考验证明确实性能优良的设备7)考虑生产波动与设备平衡，留有一定余量8)考虑设备故障及检修的备用4.2 主要设备选型与计算发酵罐无疑是本设计最为关键的设备,目前国一般使用机械涡轮搅拌。