工厂设计年产3万吨味精工厂发酵车间设计

1、生化工厂设计概论课程设计题目：年产 3 万吨味精工厂发酵车间设计学院：生 命 科 学 学 院专业：生 物 工 程年级： 06 级姓名： XXX学号： XXX指导教师： XXX时间： 2009 年 12 月 9 日、尸、 亠前言课程设计是普通高校本科教育中非常重要的一个环节， 同时也是理论知识与 实际应用相结合的重要环节。 本设计为年产 3 万吨味精厂的生产车间设计， 通过 双酶法谷氨酸中糖发酵以及一次等电点提取工艺生产谷氨酸钠。谷氨酸单钠（mo nosodium glutamate ,呈强烈鲜味，商品名为味精。因味精 具有肉类鲜味， 现已成为人们普遍采用的鲜味剂， 其消费量在国内外均呈上升趋

2、势。随着人们对味精的认识不断深入提高， 对它的营养价值、 安全性及如何正确 使用都有了普遍的了解。味精具有很强的鲜味（值为 0.03%），现已成为人们普 遍采用的鲜味剂，其消费量在国内外均呈上升趋势。 1987年 3 月，联合国粮农 组织和世界卫生组织食品添加剂专家联合委员会第十九次会议， 宣布取消对味精 的食用限量，再次确认为一种安全可靠的食品添加剂。味精是一种强碱弱酸盐，它在水溶液中可以完全电离变成谷氨酸离子（ GA1 + '）和钠离子。味精进入胃后，受胃酸作用生成谷氨酸。谷氨酸被人体吸收后， 参与体内许多代谢反应，并于其他许多氨基酸一起共同构成人体组织的蛋白质。 味精可以增进人们

3、的食欲， 提高人体对其他各种食物的吸收能力， 对人体有一定 的滋补作用。 因为味精里含有大量的谷氨酸， 是人体所需要的一种氨基酸， 96 能被人体吸收， 形成人体组织中的蛋白质。 它还能与血氨结合， 形成对机体无害 的谷氨酰胺， 解除组织代谢过程中所产生的氨的毒性作用。 因此，谷氨酸能用来 预防和治疗肝昏迷。 由于谷氨酸参与脑组织的蛋白质代谢和糖代谢， 故而能促进 中枢神经系统的正常活动，对治疗脑震荡和脑神经损伤有一定疗效。从总体上说，味精行业的发展前景是比较广阔的，我国是世界上人口最多的 国家，而我国的味精出口不足年产量的 1%，绝大部分味精都在国内市场上消化 了，随着人民生活水平的提高，

4、人们对味精的需求会越来越大， 况且国内外市场 上对味精的消费不仅仅限于调味， 而是广泛的作为一种原材料或香料表面活性剂 应用于医药和化妆品生产行业。由此可见，味精的消费市场开拓是很有前景的。本文对味精发酵生产工艺及主要设备作简要介绍， 以期有助于了解通气发酵 工艺和主要设备的有关知识。设计内容为， 了解味精生产中的原料预处理、 发酵、提取部分的生产方法和 生产流程， 根据实际情况来选择发酵工段合适的生产流程， 并对流程中的原料进 行物料衡算、 热量衡算及设备的选择。 最后，画出发酵工段的工艺流程图和平面 布置图。整个设计内容大体分成三部分，第一部分主要是味精生产的工艺和设备选 择；第二部分包括

5、发酵罐、 种子罐及空气分过滤器的设计与选型； 第三部分是工 艺流程和平面布置图。在本次设计过程中，自始至终得到王能强老师的悉心指导和同学的热心帮 助，在此表示衷心感谢！虽然作者在编写和修改过程中已做了很大努力， 但由于水平有限以及经验不足，其中还是有许多错误和不当之处， 敬请各位老师批评指点， 以利于作者认识 自己的不足，不断修改和完善设计人： XXX2009年 12月9日绪论 味精是人们熟悉的鲜味剂，又称谷氨酸钠，是 L 谷氨酸单纳盐( Mono sodium glutamate)的一水化合物(HOOC-CH2CH(NH 2)-COONa H2O),或命名为 u-氨基戊二酸单钠一水化合物。它

6、含有一分子结晶水，其分子式为 HOOC-CH2CH(NH2)-COONa H2O，分子量 187.13。具有旋光性，有 D-型和 L- 型两种光学异构体。 谷氨酸跟碱作用生成谷氨酸一钠， 如果碱过量， 则生成不具 有鲜味的谷氨酸二钠。味精为八面柱状晶体，不溶于纯酒精、乙醚及丙酮等有机溶剂，易溶于水， 相对密度为1.65，熔点195C,在120C以上逐渐失去分子中的结晶水。味精的比旋光度 =+25.16 (C=10， 2NHCl)。 0.2%味精溶液的 pH 为0.7味精生产大致经历了三个大的阶段： 第一阶段：最早的味精制造方法就是从天然的食物材料中抽取，例如：将 海带以热水煮过，取其汤液浓缩后

7、即可得到含有味精的浓缩液或调味粉。第二阶段：最早商业化制造味精的原料是面筋。 面筋即是面粉中的蛋白质， 采用的方法是蛋白质水解法，因为面筋的来源丰富，且含有高达 23%的麸胺酸， 最适合做为制造味精的原料。第三阶段： 1958 年利用微生物生产味精的发酵技术开发成功，主要是利用 葡萄糖、果糖或蔗糖为糖源， 经特别筛选的味精生产菌种吸收代谢后， 合成大量 的麸胺酸， 是属于生物合成的天然胺基酸。 这些特别筛选的微生物会将糖蜜中的 糖转变成麸胺酸。每消耗一公斤的糖，约可产生 0.5公斤的麸胺酸，生产效率非 常高。受经济危机影响，全球经济大幅缩水，国外的餐饮业大幅受到影响，味精工 业的发展自然受到冲

8、击， 我国味精产业由于主要以内销为主， 影响不大， 又由于 国家大幅扩大内需，是以发展前景乐观。目录前言 1绪论 错误! 未定义书签。一 . 味精生产工艺 41.1 味精生产工艺概述 41.2 原料的预处理及淀粉水解制备 51.2.1 原料的预处理 51.2.2 淀粉水解制备 51.3 种子扩大培养及谷氨酸发酵 51.4 谷氨酸的提取 51.5 谷氨酸制取味精及味精成品加工 5二. 发酵罐及种子罐的设计与选型 62.1 味精工厂发酵车间的物料衡算 62.1.1工艺技术指标及基础数据 62.1.2 谷氨酸发酵车间的物料衡算 62.1.3 30000t/a 味精厂发酵车间的物料衡结果 82.2 热

9、量衡算 92.2.1 液化工序热量衡算 92.2.2 连续灭菌和发酵工序热量衡算 92.2.3 谷氨酸钠溶液浓缩结晶过程的热量衡算 102.2.4 干燥过程的热量衡算 112.2.5 生产过程耗用蒸汽衡算汇总衡算结果 112.3 无菌空气耗量计算 122.4 设备设计与选型 122.4.1发酵罐 122.4.2种子罐 212.4.3 空气分过滤器 272.4.4 味精厂发酵车间设备一览表 28致谢28主要参考文献 2940一.味精生产工艺1.1.味精生产工艺概述味精生产全过程可划分为四个工艺阶段：（1）原料的预处理及淀粉水解糖的 制备；（2）种子扩大培养及谷氨酸发酵；（3）谷氨酸的提取；（4）

10、谷氨酸制取味 精及味精成品加工。与这四个工艺阶段相对应味精生产厂家一般都设置了糖化车间、发酵车间、 提取车间和精制车间作为主要生产车间。另外，为保障生产过程中对蒸汽的需求， 同时还设置了动力车间，利用锅炉燃烧产生蒸汽，并通过供气管路输送到各个生 产需求部位。为保障全厂生产用水，还要设置供水站。所供的水经消毒、过滤系 统处理，通过供水管路输送到各个生产需求部位。味精发酵法生产的总工艺流程见图1。菌种|原料|空气ITT斜面培养预处理空气压缩机摇瓶扩大培养水解I冷却种子罐扩大培养I®气液分离等电点调节除铁1r过滤1r脱色1r浓缩结晶离心沉淀离心小结晶干燥1T拌盐粉碎大结晶粉状味精干燥粗谷氨

11、酸粗谷氨酸母液I过滤r成品味精中和制味精离子交换处理溶解粗谷氨酸溶液12原料的预处理及淀粉水解制备1.2.1.原料的预处理此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构， 以便提高原料的利用率，同时去 除固体杂质，防止机器磨损。用于除杂的设备为筛选机，常用的是振动筛和转筒 筛，其中振动筛结构较为简单，使用方便。用于原料粉碎的设备除盘磨机外，还有锤式粉碎机和辊式粉碎机。盘磨机广 泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物料，而锤式粉碎机应用于薯干等脆性原料的中 碎和细碎作用，辊式粉碎机主要用于粒状物料的中碎和细碎：3：0122.淀粉水解制备在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制得的糖液称 为淀粉水解

12、糖。由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必须将 淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。目前国内许多味精厂采用双酶法制糖工艺。1.3. 种子扩大培养及谷氨酸发酵种子扩大培养为保证谷氨酸发酵过程所需的大量种子，发酵车间内设置有种子站，完成生产菌种的扩大培养任务。从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养， 扩大至一级乃至二级种子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种 子。谷氨酸发酵开始前，首先必须配制发酵培养基，并对其作高温短时灭菌处理。 用于灭菌的工艺除采用连消塔一维持罐一喷淋冷却系统外，还可采用喷射加热器 维持管一真空冷却系统或薄板换热器灭菌系统。但由于糖液粘度较大，流动性差，容易

13、将维持管堵塞，同时真空冷却器及薄板加热器的加工制造成本较高，因而应用较少。发酵设备，国内味精厂大多采用机械搅拌通风通用式发酵罐，罐体大小在 50m3到200m3之间。对于发酵过程采用人工控制，检测仪表不能及时反映罐内 参数变化，因而发酵进程表现出波动性，产酸率不稳定。由于谷氨酸发酵为通风发酵过程，需供给无菌空气，所以发酵车间还有一套 空气过滤除菌及供给系统。首先由高空采气塔采集高空洁净空气，经空气压缩机 压缩后导入冷凝器、油水分离器两级处理，再送入贮气罐，进而经焦炭、瓷环填 充的主过滤器和纤维分过滤器除菌后， 送至发酵罐使用。在北方地区由于空气湿 度小、温度低，还可采用空气压缩、冷却过滤流程，

14、省去一级冷却设备。1.4. 谷氨酸的提取谷氨酸的提取一般采用等电点一离子交换法，国内有些味精厂还采用等电点 锌盐法、盐酸水解一等电点法及离子交换膜电渗析法提取谷氨酸。 但存在废水 污染大，生产成本高，技术难度大等问题，应用上受到限制 ：卩。1.5. 谷氨酸制取味精及味精成品加工精制车间加工的谷氨酸产品为谷氨酸单钠，即味精。粗品经提纯、加工、包 装，得到成品。味精中和液的脱色过程，除使用碳柱外，还可使用离子交换柱，利用离子交 换树脂的吸附色素。味精的干燥过程，国内许多厂家还采用箱式烘房干燥， 设备 简单，投资低，但操作条件差，生产效率低，不适应大规模生产的要求。也有的 厂家使用气流干燥技术，生产

15、量大，干燥速度快，干燥时间短，但干燥过程对味精光泽和外形有影响， 同时厂房建筑要求较高， 这样均不如振动式干燥床应用效 果好4 。二发酵罐及种子罐的设计与选型2.1. 味精工厂发酵车间的物料衡算2.1.1 工艺技术指标及基础数据 生产规模： 6 万吨年（或 12万吨年 ） 生产规格： 纯度为 99的味精生产方法： 以工业淀粉为原料、双酶法糖化、流加糖发酵，低温浓缩、等电 提取生产天数： 300 天年 倒罐率：0.5发酵周期： 40-42 小时 生产周期： 48-50 小时 种子发酵周期： 8-10 小时 种子生产周期： 12-16 小时 发酵醪初糖浓度： 15（W V） 流加糖浓度： 45（W

16、 V） 发酵谷氨酸产率： 10 糖酸转化率：56淀粉糖转化率：98谷氨酸提取收率： 92 味精对谷氨酸的精制收率： 112 原料淀粉含量： 86 发酵罐接种量：10发酵罐填充系数：75发酵培养基 （W/V） ： 水解糖 15，糖蜜 0.3，玉米浆 0.2%，MgSO4 0.04， KCl 0.12 ， Na2HPO4 0.16%，尿素 4，消泡剂 0.04种子培养基 （W/V） ： 水解糖 2.5，糖蜜 2，玉米浆 l %，MgSO4 0.04， K2HPO4 0.1，尿素 0.35，消泡剂 0.032.1.2 谷氨酸发酵车间的物料衡算 首先计算生产 1000kg 纯度为 100%的味精需耗用

17、的原辅材料及其他物料量（ 1）发酵液量 V1V1 1000 220 56% 90% 99.7% 110%8.22 m3式中 220发酵培养基初糖浓度（ kg/m3）56%糖酸转化率90%谷氨酸提取率97%除去倒灌率 0.3%后的发酵成功率110%味精对谷氨酸的精制产率( 2)发酵液配制需水解糖量 G1 以纯糖算，G1 V1 220 1809(kg)( 3)二级种液量 V2V2 10%V1 0.822 m3( 4)二级种子培养液所需水解糖量G23G2 25V2 20.55 m3式中 25二级种液含糖量( kg/m3)(5)生产1000kg味精需水解糖总量G为：G G1 G2 1829.55 kg

18、( 6)耗用淀粉原料量理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用的淀粉量 G 淀粉为：G淀粉 1829.5585% 98% 111%1978.7 kg式中85%淀粉原料含纯淀粉量98%淀粉糖转化率( 7)尿素耗用量 二级种液耗尿素量为 V3V3 3.5V2 2088 kg发酵培养基耗尿素为 V4V4 40V1 328.8 kg故共耗尿素量为 331.68kg( 8)甘蔗糖蜜耗用量 二级种液耗用糖蜜量 V5V520V216.44 kg发酵培养基耗糖蜜量 V6V6 3V1 24.66 kg合计耗糖蜜 41.1kg( 9)氯化钾耗量 GKClGKCl 1.2V1 9.864 k

19、g(10)磷酸氢二钾(K2HPO4)耗量G3G3 1V1 0.822 kg(11)硫酸镁(MgS04 7H2O)用量 G4G40.4 V1V23.62 kg（12）消泡剂（泡敌）耗用量G5G50.4V10.3V23.54 kg（13）磷酸氢二钠耗用量G6G61.6V113.15 kg（14）谷氨酸（麸酸）量发酵液谷氨酸含量为:G156% 10.3%1010 kg实际生产的谷氨酸（提取率90%)为：1010 90%909 kg（15）玉米浆用量G7 2V110V224.662.1.3 30000t/a味精厂发酵车间的物料衡算结果年产30000吨味精物料横算表物料名称生产1t味精（100%）的物料

20、量15000t/a味精生产的物料量每日物料量发酵液（m3）8.22246.6103822二级种液（m3）0.82224.6610382.2发酵水解用糖63(kg)180954.2710180.9 10二级种培养用糖3(kg)20.55616.5102055水解糖总量（kg）1829.5554.891063183.0 10淀粉（kg）1978.759.36106197.9 103尿素（或液氨）331.689.9510633.2 103糖蜜（kg）41.1123310334.11 10氯化钾（kg）9.87296.1103987磷酸氢二钾（kg）0.82224.6610382.2硫酸镁(kg)3.

21、62108.6 102.2热量衡算 热量衡算是根据能量守恒定律建立起来的，热平衡方程表示如下：Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q62.2.1 液化工序热量衡算 液化加热蒸汽量加热蒸汽消耗量(D)，可按下式计算：D= G C (t2 t1) (I )式中G-淀粉浆量(kg/h)C-淀粉浆比热容(kJ/ (kg K)t1-浆料初温(20+273=293K)t2-液化温度(90+273=363K)I-加热蒸汽焓，2738kJ/kg (0.3Mpa，表压) 入-加热蒸汽凝结水的焓，在363K时为377kJ/kg 淀粉浆量G:根据物料衡算，日投工业淀粉 197.9t;连续液化，197.9/24=68.2

22、(t/h)。加水为 1: 2.5,粉浆量为：6820X3.5=13870 (t/h)。 粉浆比热C可按下式计算：C=C0 +C 水式中C0-淀粉质比热容，取1.55kJ/ (kg K)X-粉浆干物质含量，24.6% C水-水的比热容，4.18kJ/ (kg K)C=1.55 +4.18 =3.53 (kJ/ (kg K) 蒸汽用量D= =963 (kg/h) 灭酶用蒸汽量 灭酶时将液化液由90E加热至100C，在100C时的入为419kJ/kg。D 灭=140 (kg/h)362泡敌(kg)3.54106.2 10354磷酸氢二钠(kg)13.15394.5 10要求在20min内使液化液由9

23、0C升至100C，则蒸汽高峰量为： 140X=420 (kg/h) 以上两项合计，平均量 963+140=1103 (kg/h);每日用量1.1 X4=26.4 (t/d)。 高峰量：963+420=1383 (kg/h)1315玉米浆(kg)24.66739.8 102466谷氨酸(kg)9.927.27 102.2.2. 连续灭菌和发酵工序热量衡算90.9 10(1)培养液连续灭菌用蒸汽量发酵罐200m3装料系数0.75,每罐产100%MSG量：200 0.75 3%X85%X97%X 1.272=11.27 (t)发酵操作时间48h (其中发酵时间38h),需发酵罐台数6台。灭菌加热过程

24、中用0.4Mpa蒸汽(表压)l=2743kJ/kg，使用板式换热器将物料由 20C预热至75C,再加热至120C。冷却水由20C升至45C。每罐灭菌时间3h, 输料流量 0.3( t/h)消毒灭菌用蒸汽量( D)：D =3212( kg/h) =3.2( t/h)式中 3.97为糖液的比热容( kJ/(kgoK)每日用蒸汽量：3.2 .3.3=28.8(t/d)高峰量： 3.2t/h平均量：28.8 乞4=1.2 (t/h)( 2)发酵罐空罐灭菌蒸汽用量 发酵罐体加热：200m3,1Cr18Ni9的发酵罐体重34.3t,冷却排管重6t,1Cr18Ni9 的比热容0.5kJ/( kg K),用0

25、.2Mpa (表压)蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15 Mpa (表 压)下，由20C升至127C。其蒸汽量为986 (kg) 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 到罐内之排管、搅拌器等所占之空间,罐之自由空间仍按 200m3 计算。填充空 间需蒸汽量：D 空=Vp =200X 1.622=324.4kg)式中 V-发酵罐自由空间即全容积( m3)P-加热蒸汽的密度(kg/m3), 0.2Mpa表压时为1.622 灭菌过程的热损失：辐射与对流联合给热系数a罐外壁温度70C。a =33.9+d.9(70-20)=43.4(kJ/(m2 h K)200m3发酵罐

26、的表面积为201 m2,耗用蒸汽量：D 损= =199(kg) 罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗 41(kg) 灭菌过程蒸汽渗漏， 取总汽消耗量的 5%，空罐灭菌蒸汽消耗量为： 1 632 ( kg/h) 每空罐灭菌1.5h，用蒸汽量：1632X1.5=2448 (kg/罐)每日用蒸汽量：2448X3=7344 (kg/d),平均量 7344/24=306 (kg/h)2.2.3. 谷氨酸钠溶液浓缩结晶过程的热量衡算年产万吨商品味精，日产100%MSG 29.75t,选用25m3强制内循环结晶罐，浓 缩结晶操作周期24h,其中辅助时间4h。每罐产100%MSG 10t，需结晶罐台4 台。每罐投入4

27、0g/dl的中和脱色液(俗称原液)23m3,流加30g/dl母液32m3, 过程中加水6m3,在70T下真空蒸发结晶，浓缩3h,育晶17h。放料数量20m3( 1 )热量衡算来料带入热量：进料温度35E，比热为3.5kJ/ (kgoK)Q 来料=(23X.16+32 X.13) X3.5 X5X03=7.7 X06 (kJ)加水带入热量：Q 来水=6X4.18 85X103=8.8 *05 (kJ)晶种带入热量： MSG 比热容 1 . 67 ( kJ/ ( kgoK )Q 来晶=1600X1.67 20=5.3 104 (kJ) 结晶放热： MSG 结晶热为 12.7kJ/molQ 晶热=

28、=5.7 105(kJ) 母液带走热量：分离母液12m3,折算为相对密度1.26时15t，比热容为2.83 ( kJ/( kgoK )Q=15X103 >2.83 70=3.0 106 (KJ) 随二次蒸汽带走热量：Q 二蒸=(23+32+6-20)2626 106=1.077 108(kJ) 随结晶 MSG 带走热量：Q 出晶=10 103 1.67 70=1.17 106(kJ)需外界供给热量：Q= (Q母+Q二蒸+Q出晶)-(Q来料+Q来水+Q来晶+Q晶热)=(3.0 106+1.077 108+1.17 106) -(7.7 106+8.8 105+5.3 104+5.7 105

29、) =9.5 107(kJ)( 2)计算蒸汽用量每罐次用汽量：热损按 5%折算。D= =45830 (kg/罐)每罐浓缩结晶时间20h，每小时耗蒸汽高峰量：45830/20=2292 (kg/h)4 台罐(实际是 3.5台)同时运转，高峰用蒸汽量：3.5 2292=8022 (kg/h)每日用蒸汽量：3.5 45830=160405 (kg/d) =160(t/d) 每小时平均用蒸汽量： 160/24=6.7 (t/h)2.2.4 干燥过程的热量衡算分离后之湿MSG含水2%,干燥后达到0.2%，进加热之空气为18C，相对湿度 书=70%通过加热器使空气升至80E，从干燥器出来的空气为60C。年

30、产万吨商品味精，日产湿味精 30.4t,二班生产，即30.4/16=1.9(t/h)。干燥水分量 34( kg/h)18C空气湿含量 书=70% X0=0.009 (kg/kg干空气)，I0=41.8kj/kg干空气；加热80C，I1=104.5kj/kg 干空气用公式： =(12-11 ) / (X2-X1 ) =Q 物料 +Q 损失-Q 初温式中-空气经过干燥后的热量变化(kJ/kg)Q 损失-损失热量，通常为有效热量的 10%Q 物料=1.9 X103X(60-18) X0.4 X4.18/34=3924 (kJ/kg 水)Q 损失=0.1 X(595X4.18+0.47 6X0X4.1

31、8+3924-18 4X.18) =645(kJ/kg 水) =18X 4.1-38924-645= -4494 (kJ/kg 水)设 X2=0.0108I2=I1+ (X2-X1 ) =104.5+(-4494)(0.0108-0.009) =96.4(kJ/kg 空气)空气耗量为：34/0.0108-0.009=18888(kg/h)80C时空气的比容0.83m3/kg实际消耗空气量为：18888 区.83=15677 (m3/h)耗用蒸汽量(D):使用O.IMpa (表压)蒸汽加热，热损失按15%计:D= =618( kg/h)每日用蒸汽量：618X16=9888 (kg/d)平均每小时

32、用蒸汽量：9888/24=412 ( kg/h) 2.2.5.生产过程耗用蒸汽衡算汇总衡算结果：每日用蒸汽量为338t/d,每小时平均量为14.1t/h,高峰量为19.2t/h°100%MSG单耗蒸汽量：338/29.75=11.4 (t/t)年产30000吨味精热量衡算表名称每日用量(t)每小时均量(t)高峰量(t)单耗(t)蒸汽33814.119.211.42.3无菌空气耗量计算(1) 单罐无菌空气耗用量230m3规模的通气搅拌发酵罐的通气速率为0.20-0.45vvn,取0.45计算 单罐发酵过程用气量：V 230 0.75 0.45 60 4658 (m3/h) 单罐年用气量

33、：VI V 32(m3/a)(2) 种子培养等其他无菌空气耗量有经验去耗气量为发酵过程的20%故：V' V 20%931.5 (m3/h)单罐年用气量：V1' V 8 180 1341360 (m3/a)(3) 高峰无菌空气耗量：Vman 10V 6V'52164 (m3/h)(4) 车间无菌空气年耗量：Vt 10V1 6V1' 52164 (m3/a)(5) 单耗：V0 Vt G 9211 (m3/h)年产30000吨味精无菌空气衡算表:发酵罐公称 容积(m3)单罐通气量(m3/h)种子罐耗气量(m3/h)高峰空气耗量(m3/h)年空

34、气耗量(m3/h)空气单耗(m3/h)2004658931.55216482.76 1092112.4设备设计与选型2.4.1 发酵罐(1) 发酵罐的选型选用机械涡轮搅拌通风发酵罐(2) 生产能力、数量和容积的确定 发酵罐容积的确定：选用200m3罐 生产能力的计算：现每天生产97%纯度的味精100t，谷氨酸的发酵周期为48h(包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间)。每天产纯度为97%的味精100t,每吨100%的味精需糖液8.22m3则每天需糖液体积为V:3V糖 8.22 100 97%797.34 m设发酵罐的填充系数© =75%;则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为 V0

35、(发酵周期为48h)。797.343V0 V糖 /©1063 m°0.75发酵罐个数的确定:公称体积为 200m3的发酵罐，总体积为230 m3V0t797.34人N109.25 个V总?24230 0.75 24取公称体积200 m3发酵罐11个，其中一个留作备用头际产量验算：230 0.75 530032451.7 t/a8.22 97%富裕量32451 .730000“8.2% 30000能满足产量要求(3)主要尺寸的计算：取高径比 H : D=2 : 1V全 V筒 2V封 230m3;则有：2n3V 全 0.785D2 2DD3 2 23024H=2D ;解方程得：

36、1.57D30.26D32305.004 m封头高：取 D=5mH=2D=10m ;H封ha hb 1300 mm封头容积：V 封=16.4 (m3)圆柱部分容积：V 筒=197m3验算全容积V全：V全V筒2V封197 2 16.4 229.8 mV 全=V '符合设计要求，可行。(4)冷却面积的计算4.18X对谷氨酸发酵，每1m3发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为 6000kJ/(m3 h)。采用竖式蛇管换热器，取经验值 K=4.18 X 500 kJ/(m3 h T )。平均温差厶tm : tm ti t2In ti t232 C 32 C20 T 27 C125代入 tm12

37、558C12In5对公称容量200 m3的发酵罐，每天装5罐，每罐实际装液量为775.175155 m3换热面积旦 °18 6000 155 232.5m3K tm 4.18 500 8(5) 搅拌器计算选用六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系 搅拌器叶径D 5Dj1.67 m33取 d=1.7 (m)叶宽：B 0.2d0.2 1.70.34 m弧长：l 0.375d0.375 1.70.64 m底距：CD-1.7m33盘踞：di0.75Di 0.75 1.7 1.28 m叶弦长：L 0.25Di 0.25 1.70.43 m叶距：Y D 5 m弯叶板厚：S

38、=12 (mm)取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，转速Ni=110r/min。以等Po/V为基准放大求得:2/3D1N2NW1101.051.72/380 r /min(6) 搅拌轴功率的计算 淀粉水解糖液低浓度细菌醪,计算Rem可视为牛顿流体。D2N pRem(1式中 D搅拌器直径,D=1.7mN搅拌器转速，p醪液密度，p 卩一一醪液粘度，将数代入上式：N 801.33 r/s60=1050 kg/m3卩=1.3X 10-3N s/m2Rem1.7231.3 10133 10503.1 106 >1。4视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7计算不通气时的搅拌轴

39、功率 Pb：PoNpN3D5p式中Np在湍流搅拌状态时其值为常数 4.7N搅拌转速，N=80r/mi n=1.33r/s D搅拌器直径，D=1.7mP醪液密度，p =1050kg/m3代入上式:F04.7 1.333 1.75 1050103W88.2kW88.2两挡搅拌:Po2Po'176.4kW 计算通风时的轴功率PgPg2.2510 32 3 039P0 NDQ008kW(kW), P0217642 站 104Q0.08采用三角带传动n 1=0.92；滚动轴承n 2=0.99，滑动轴承n 3=0.98;端面密封 增加功率为1%;代入公式数值得：69.1式中P0不通风时搅拌轴功率N

40、轴转速，N=80r/mi nD搅拌器直径(cm), D3=1.73X 106=4.9X 106Q通风量(ml/min )，设通风比 VVm=0.110.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。现取0.11；则 Q=155X 0.11X 106=1.7X 107 (ml/min )7 0.081.7 1073.79代入上式:Pg2.25 10 33.1 104 80 4.9 106 0393.7969.1 kW 求电机功率P电：1.011231.0178.2 kW0.92 0.99 0.98(7) 设备结构的工艺计算 空气分布器：本罐采用单管进风，风管直径©133X 4mm。 挡

41、板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板 密封方式：本罐采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。 冷却管布置：采用竖式蛇管 I最高负荷下的耗水量WCP t2tl式中 Q总每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的 乘积Q总 4.18 6000 1553.89 106 kJ/hcp冷却水的比热容，4.18kJ/ ( kg K)t2冷却水终温，t2=27C t1冷却水初温，t1=20C将各值代入上式3.89 106W -4.1827 201.33 1 05 kg/h 36.9 kg/s冷却水体积流量为3.69X 10-2m3/s，取冷却水在竖直蛇管中的流速为1m/s,根据流体力学

42、方程式，冷却管总截面积S总为：v式中 W冷却水体积流量，W=3.69 X 10-2m3/sV冷却水流速，v=1m/s代入上式：3.69 10 22 23.69 10 m进水总管直径：S总0.7853.69 10 20.7850.217 mn冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为 s总，管径d0,组数为n,则: 取n=8，求管径。由上式得：d。.n?0.7850.077 m3.69 10 2 8 0.785查金属材料表选取© 89 X 4mm无缝管9，d内81mm g 5.12kg/m，d内 d°，认为可满足要求，d平均80mm现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm，则两直管

43、距离为600mm,两端 弯管总长度为10 :l0 D 3.14 6001884 mmm冷却管总长度l计算：由前知冷却管总面积2F 232.5m现取无缝钢管© 89X 4mm,每米长冷却面积为2F03.14 0.08 10.25 mFF0232.50.25930 m冷却管占有体积：23V 0.785 0.0899305.8 mIV每组管长L0和管组高度：,L930L°77.5 mn12另需连接管8m：L实L 8930 8938 m250m m。设发可排竖式直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头 酵罐内附件占有体积为0.5m3，贝总占有体积为V总V液V管V附件155 5.

44、8 0.5 161.3m3则筒体部分液深为:V 总 V 封161.3 16.4厂 7.4 m竖式蛇管总高S0.785 5H 管 7.40.257.7 m又两端弯管总长l01884mm ,两端弯管总高为600mm,则直管部分高度：h H 管 6007700 6007100 mm则一圈管长：l 2h I02 7100188416084 mmV每组管子圈数n°：77.5l 16.1现取管间距为2.5D外2.5 0.0890.22 m，竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）W .校核布置后冷却管的实际传热面积：F实d平均? L实3.14 0

45、.08 938 235.6 m2而前有F=232.5m2，F实F，可满足要求。（8）设备材料的选择10选用A3钢制作，以降低设备费用。（9）发酵罐壁厚的计算 计算法确定发酵罐的壁厚SPQ2 P(cm)式中P设计压力，取最高工作压力的 1.05倍，现取P=0.4MPaD发酵罐内经，D=500cm八 A3钢的应用应力，八 =127MPa©焊接缝隙，© =0.7C壁厚附加量（cm）C C1 C2 C3式中C1钢板负偏差，现取 C1=0.8mmC2为腐蚀余量，现取 C2=2mmC3加工减薄量，现取C3=0C 0.8 202.8 mm0.28 cm0.4 5002 127 0.7 0

46、.40.28 1.4 cm选用14mm厚A3钢板制作。 封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式5如下:PQ2 P(cm)式中 P=0.4MPaD=500cm八=127MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38 (cm)© =0.7SX 4000.38 1.5 cm2 127 0.7 0.4（10）接管设计接管的长度h设计：各接管的长度 h根据直径大小和有无保温层，一般取100200mm。接管直径的确定：按排料管计算：该罐实装醪量155m3，设4h之内排空，则物料体积流量乔 0-0108m3/S发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物0.010810.011m20.785d管

47、径:0.7850.0110.7850.118 m取无缝管© 133X 4mm, 125.mm> 118mm,认为合适。按通风管计算，压缩空气在 0.4MPa下，支管气速为2025m/s。现通风比0.10.18vvm,为常温下20C，0.1MPa下的情况，要折算0.4MPa、30C 状态。风量 Q1 取大值，Q1 155 0.18 28 m3/mi n 0.46 m3/s。利用气态方程式计算工作状态下的风量 QfQf0.46空竺旦0.35 273 200.14 m3/s取风速v=25m/s，则风管截面积Ff为Ff 乞 0140.0056 m2v 25Ff 0.785d 气则气管直

48、径d气为:0.0056 0.7850.084 m因通风管也是排料管，故取两者的大值。取©133X 4mm无缝管，可满足工艺要求。排料时间复核：物料流量 Q=0.0108m3/s，流速v=1m/s；管道截面积：2 2F 0.785 0.1250.0123 m ，在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为Q 0.0108P0.88 倍Fv 0.0123 1排料时间：t 2 0.881.8 h(11)支座选择选用裙式支座242种子罐发酵所需的种子从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至 二级种子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子。 种子罐冷却方

49、 式采用夹套冷却。(1)二级种子罐容积和数量的确定 二级种子罐容积的确定：接种量为 10%计算，则种子罐容积V种2为：V种2 V总 10%230 2%23 m3式中V总发酵罐总容积(m3) 二级种子罐个数的确定：种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上5罐, 需二级种子罐6个。种子罐培养8h,辅助操作时间810h，生产周期1618h, 因此，二级种子罐6个已足够，其中一个备用。 主要尺寸的确定种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。H： D=2 : 1,则种子罐总容积量 V'总为：V总 V筒 2V封简化方程如下：323V总 2 D 0.785D 2D 23 m24整理后1.57D30

50、.26D323解方程得D=2.3m则H=2D=2 X 2.3=4.6 (m)查得封头高H'封H 封 35025375 mm罐体总高H'罐:H 罐 2H 封 H 筒 2 375 4600 5350 mm单个封头容量：V'封=4.125 (m3)封头表面积：S 封=2.23m2圆筒容量：23V 筒 0.785D 2D 19.1 m不计上封头容积：V 有效 V 封 V筒 19.1 4.12523.225 m3校核种子罐总容积V总：'3V 总 2V 封 V筒2 4.125 19.1 27.45 m比需要的种子罐容积23m3大，可满足设计要求。 冷却面积的计算 采用夹套冷

51、却I发酵产生的总热量：Q总 4.18 6000 155 2%7.78 104 kJ/hn夹套传热系数：K 4.18150 250 kJ / m2?h?C现取 K=4.18 x 220kJ/ (m2 hC)IH平均温差：发酵温度32 C ;水初温2023C，取23C ；水终温27 C，则 平均温差：tm7CIV需冷却面积F：7.78 1044.18 220 712.1 m2V核算夹套冷却面积：按静止液深确定夹套高度: 静止液体浸没筒体高度：3.1-0.39820.785 1.41.76 m液深：HlH 封 H 0375 17602135 mm夹套可能实现的冷却面积为封头表标面积S封与圆筒被液体浸没的筒体为表面积S筒之和：DH 0 S封3.14 1.4 1.76 2.23 13.6 m2夹套咼度应不咼于动态时的液面咼度，因咼于液面的传热面积，并没有起多少冷却作用。综上，传热需要的面积F=12.1(m2)该设计夹套能提供的冷却面积为 S夹=13.6 m2S夹F，可满足工艺要求。 设备材料的选择采用A3钢制作 壁厚计算I夹套内罐的壁厚mPL0.42.6ED式中 D设备的公称直径，140cmm外压容器的稳定系数，与设备的起始椭圆度有关，在我国，m=3P设计压力，与水压有关，P=0.4MPaE金属材料的弹性模量9，对A3钢E=2X 105MPaC壁厚附加量，C=Ci+C2+C