年产12500吨味精的发酵罐设计说明

1、 第一章 物料衡算1.1 年产 12500吨味精的发酵罐设计1. L-Glu 化学名称为L型谷氨酸，分子式为C5H9O4N，相对分子质量为147.13 MSG 一水谷氨酸钠，相对分子质量为188.132、设计所需技术参数生产周期48h，每年生产日为300 天，年产MSG的量：12500 吨(含10000吨98%MSG，2500 吨81%MSG) 第一部分 物料衡算1. 总物料衡算 年产12500吨MSG，折算为100%MSG（纯度98%占75%，纯度81%占25%）后得年产和日产量为： 年产量：10000×98%+2500×81%=11825吨 日产量：11825/300=

2、39.42吨葡萄糖生成谷氨酸的总反应式：2C6H12O6+(H2N)2CO+3O2-2C5H9O4N+3CO2+5H2O 180 147.13 谷氨酸对糖的理论转化率： 147.13/180=81.74% MSG对谷氨酸的产率： （146.13+24+18）/147.13=1.28淀粉水解为葡萄糖的总反应式为：（C6H10O5)n+nH2O-nC6H12O6葡萄糖对淀粉的理论转化率为：180/162=1.11氨基酸的总收率为：（98%×50%×80%×90%）/81.74%=43.16%以1t淀粉为基准，进行物料衡算： 1t纯淀粉理论上能产生100%MSG的量为：

3、 1000×1.11×81.74%×1.28=1162.41 kg 1t纯淀粉实际上能生产100%MSG的量为：1000×98%50%80%90%×1.28=451.59 kg 1t工业淀粉（含86%玉米淀粉）实际上能生产100%MSG的量为：1000×98%×50%×80%×90%×86%×1.28=388.37 kg 因此，相对于1t纯MSG的淀粉消耗量为：1000/（98%×50%×80%×90%×86%×1.28）=2574.9

4、2 kg生产1t 100%MSG理论上消耗纯淀粉的量为：1000/（1.28×81.74%×1.11）=861.06 kg生产1t 100%MSG实际上消耗纯淀粉的量为：1000/（1.28×98%×50%×80%×90%）=2214.43 kg生产1t 100%MSG理论上消耗工业淀粉的量为：861.06/86%=1001.23 kg生产1t 100%MSG实际上消耗工业淀粉的量为：2214.43/86%=2574.92 kg淀粉利用率：1001.23/2574.92=38.88%各单元操作的总量为：工业淀粉日耗量：11825/（1

5、.28×90%×50%×80%×98%×86%×300）=101.49t每日淀粉转化为糖的总量：101.49×86%×98%=85.54 t若终糖液浓度为24%（密度1.09），总糖液量的体积为： 85.54/（24%×1.09）=326.99m3.由工艺指标产酸率8.0g/100mL，则发酵液量的体积为： 85.54×50%/0.08=534.63 m3 若发酵液密度为1.05，发酵液的总量为： 85.54/(16.4%×1.05)=496.75 m3.经等点点沉淀和离子交换后，一般

6、母液含谷氨酸1-3%的量，取1g/100mL，剩余谷氨酸母液的量为： 11825/1.28=9238.28kg （300×85.54×50%-9238.28）/0.01=580449 m3汇总如下：年产12500吨味精工厂生产工艺物料衡算总表：项目 以玉米淀粉为例生产10000吨100%MSGt/d原料淀粉t24%糖液量t90%的谷氨酸量t100%MSG量t排出含0.7%Glu的废液量t2. 各单元操作物料衡算： A.双酶法制糖工段的物料衡算。 双酶法制糖液化过程中加入纯碱调节pH，加入氯化钙稳定酶的活性，糖化过程中加入草酸调节pH，下面根据缓冲液体系达到糖化pH来计算所需

7、的纯碱、草酸、氯化钙的量： （1）.100g淀粉制得的糖为： 终24%糖液的体积为：100g干淀粉中和至pH=7.0时需0.1mol/L的NaOH 15.7mL。 加入糖化酶0.017%（对淀粉浆的w/w），加入液化酶0.043%（对淀粉浆的w/w），加入氯化钙0.043%（对淀粉浆的w/w），珍珠岩0.15%（对淀粉浆的w/w）。 制糖工艺物料衡算表：进入糖化过程的物料离开糖化过程的物料项目物料比例kg日投料量kg项目物料比例kg日投料量kg工业淀粉糖化酶配料水糖化液液化酶珍珠岩氯化钙滤渣B.连续灭菌过程与发酵工段物料衡算： （1）.蒸汽带入的冷凝水量： （2）.长菌过程中水量的增加：糖的消

8、耗用于呼吸的约占20%（其中50%用于菌体合成），用于发酵的约占80%。 长菌过程：4C6H12O6+(H2N)2CO2C8H18O4N+9CO2+3H2O 呼吸代：C6H12O6+6O26CO2+6H2O .产酸过程中水量增加： 产酸：2C6H12O6+(H2N)2CO+3O22C5H9O4N+3CO2+5H2O .空气带走的冷凝水：设定发酵过程空气进口的温度为25，相对湿度=70%，水蒸气分压为2399.796Pa；出口温度为32，相对湿度=70%，水蒸气分压为3599.694Pa。空气进罐的压力为1.5atm（表压），出罐压力为0.5atm（表压）。这是空气出口与进口的湿含量差为：=0.

9、03761t（5） .加入的尿素量（年需量）： 长菌过程： 产酸过程：每年的尿素总需求量为：213.85+3421.6=3635.45t（6） .取样等损失的量：发酵工艺的物料衡算表：物料名称生产1t100%MSG的物料量kg24%的糖液玉米浆无机盐接种量配料水尿素消泡剂进出连续灭菌和发酵工序的物料衡算表：进出连续灭菌和发酵系统离开连续灭菌和发酵系统项目与1t工业淀粉匹配的物料kgt/d项目与1t工业淀粉匹配的物料kgt/d24%水解糖液C.提取工段物料衡算 加硫酸调节pH，加入量约为发酵液的3.3%（w/v）,98%的硫酸的相对密度为1.84。加洗涤用水的量为粗产物的20%（w/w）；初提沉

10、淀含90%的Glu。 Glu提取分离过程的物料衡算表：进入提取分离系统离开提取分离系统项目与1t工业淀粉匹配的物料kgt/d项目与1t工业淀粉匹配的物料kgt/d发酵液90%的Glu母液硫酸洗涤水回收加水合计合计D.精制过程物料衡算： 中和时加入的纯碱的量为粗 Glu的36.6%；脱色用的活性炭的量为粗 Glu的3.1%；中和时含40%（w/v）MSG溶液的相对密度为1.16；废湿活性炭数量为25%；MSG分离洗涤用水量为MSG的5%。 精制过程物料衡算表进入提取分离系统离开提取分离系统项目与1t工业淀粉匹配的物料kgt/d项目与1t工业淀粉匹配的物料kgt/d90%的Glu100%MSG纯碱

11、母液活性炭废炭中和加水量蒸发水量分离洗涤水合计合计第二部分 能量衡算1、 淀粉液化工段的能量衡算 工艺过程：淀粉乳加热到105并维持60min进行液化，然后升温到120，并维持5min热处理（灭酶），之后冷却到60。每天连续液化24h，以水与淀粉2.5:1调淀粉乳，蒸汽控制在0.3MP加热，常温以20计，液化液冷却时出水口的温度为55。淀粉的比热容C0=1.22kJ/(kg)。在直接蒸汽保温时，蒸汽的消耗量按直接蒸汽加热升温时的蒸汽消耗量的40%进行计算。对于蒸汽的热焓i值，查表得，0.3MP时，i=2738KJ/kgK;0.2MP时，i=2718KJ/kgK;0.4MP时，i=2743KJ/

12、kgK。水的比热容为4.18KJ/kgK。液化过程的计算：A. 计算蒸汽的消耗量 由水与干淀粉的比例2.5：1可得，每日生产的淀粉乳质量G为： G=10.15×104×3.5=3.553×105 kg 淀粉乳的比热容C为：淀粉乳从20加热到105的过程中消耗的蒸汽量D1为：×（1×5%）=37513kg/d =1563.04kg/h淀粉乳在105保温60min进行液化，该过程的蒸汽用量为：=40%=40%×1563.04=625.217kg/h淀粉乳从105升温到120过程中的蒸汽消耗量为： =277.35kg/h淀粉乳在120保温5

13、min进行灭酶，此过程中蒸汽的消耗量为:=40%=40%×277.35=110.94kg/hB.计算冷却水的用量 料液冷却过程，料液由120降到60，而冷却水由20升到55，则冷却水用量为：则，=29047.351kg/d=1210.306kg/h2. 糖化工段工艺过程： 将料液的pH值调整后维持其温度6030小时进行糖化，然后升温到80并保温10min灭酶，最后冷却到40。通过能量衡算可以计算出该过程的蒸汽消耗量和冷却水的消耗量。 为方便计算，先计算从20升温到60过程中蒸汽的消耗量的值： =690.323kg/h将料液60保温30h进行糖化过程所消耗的蒸汽量为：料液从60升温到8

14、0过程中蒸汽的消耗量为： =353kg/h料液80保温10min灭酶过程的蒸汽消耗量为：将料液从80冷却到40过程中冷却水的消耗量为： 则，W2=44203.24kg/d=1841.80kg/h3. 发酵工段与连续灭菌工段的热量衡算 A.以板式换热器连续灭菌 连续灭菌的蒸汽压力为0.4MPa，将料液从75加热到120需消耗蒸汽量： =751.23kg/hB.发酵罐空罐灭菌的蒸汽用量发酵罐由不锈钢1Cr18Ni9制造而成，若发酵罐体积为200，则罐体重量为34.3吨，冷却排管重6吨，这种不锈钢的比热容为0.5KJ/kgK，用0.2MPa（表压）蒸汽灭菌，发酵罐由20升温到127，这过程的蒸汽用量

15、为：C.充满发酵罐空间所需的蒸汽量 由PV=nRT=mRT/M 可得到：D.将料液由80冷却到30耗用冷却水量为=27278.76kg/d=1136.62kg/h生产中耗用蒸汽总汇表：生产工序日用蒸汽用量t/d平均蒸汽用量t/d液化糖化连消发酵罐空消 第三部分 发酵罐设计3.1 发酵罐外形尺寸的计算（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70m3罐 生产能力的计算：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)。每天需发酵液体积为V。每吨纯度为100%的味精所需发酵液量为：则，1t100% MSG折算为谷氨

16、酸所需的发酵液量为：生产12500t/a味精,每天应需发酵液量为：设发酵罐的填充系数=80%；则每天需要发酵罐的总容积为V0（发酵周期为48h）。发酵罐个数的确定：公称体积为130m3的发酵罐，总体积为150m3 每天需要80m3发酵罐的个数N0：共需要发酵罐数目N1：取公称体积130 m3 发酵罐8个，其中一个留作备用。实际产量验算：富裕量 能满足产量要求（3）主要尺寸的计算：取高径比 H：D=2：1则有：H=2D；解方程得： 取5.2m H=2D=10.4m 查表得：经D=5.2m的椭圆形封头的相应的尺寸为封头高：封头容积 ：圆柱部分容积：验算全容积V全：符合设计要求，可行。3.2发酵罐壁

17、厚的计算 1.确定发酵罐的壁厚S （cm）式中 P设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa D发酵罐经，D=520 cm A3钢的应用应力，=127MPa 焊接缝隙，=0.8 C壁厚附加量（cm）式中 C1钢板负偏差，现取C1=0.8mm C2为腐蚀余量，现取C2=2mm C3加工减薄量，现取C3=0选用10mm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如下： （cm）式中 P=0.4MPa D=520 cm y为开孔系数，取2.3 =127MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）=0.82搅拌器计算 1.选用六弯叶涡轮搅拌器 ，该搅拌器的各部分尺寸

18、与罐径D有一定比例关系。 搅拌器叶径：叶宽 ：弧长：底距：盘踞 ：叶弦长：叶距 ：弯叶板厚：=14（mm）取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，转速N1=110r/min。以等P0/V为基准放大求得：2.搅拌轴功率的计算 淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。计算Rem：式中 D搅拌器直径，D=1.73m N搅拌器转速，醪液密度，=1050 kg/m3醪液粘度， =1.3×10-3N·s/m2 将数代入上式：视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7计算不通气时的搅拌轴功率P0：式中 Np在湍流搅拌状态时其值为常数4.7 N搅拌转速，N=79r/min

19、=1.3r/s D搅拌器直径，D=1.73m醪液密度，=1050kg/m3 代入上式：计算通风时的轴功率Pg 式中 P0不通风时搅拌轴功率（kW）N轴转速，N=79r/min D搅拌器直径（cm），D3=1.733×106=5.18×106 Q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；对公称容量150 m3的发酵罐，每罐实际装液量为则Q=120×0.11×106=13.2×106（ml/min）代入上式：求电机功率P电：采用三角带传动1=0.92；滚动轴承2=0.99，滑动轴

20、承3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：3.3冷却面积的确定 经验值计算法：谷氨酸发酵罐的冷却面积取=1.5m2/m3；填充系数=80%，则每一个150m3发酵罐的换热面积A为：3.4设备结构的工艺设计1. 挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。2. 空气分布器：本罐采用单管进风，风管直径133×4mm。3. 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。4. 冷却管布置：采用竖式蛇管.最高负荷下的耗水量W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，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4.18

21、15;6000kJ/(m3·h)。 cp冷却水的比热容，4.18kJ/（kg·K） t2冷却水终温，t2=27 t1冷却水初温，t1=20 将各值代入上式冷却水体积流量为2.848×10-2m3/s，取冷却水在竖直蛇管中的流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积A总为：式中 W冷却水体积流量，W=2.848×10-2m3/s V冷却水流速，v=1m/s代入上式：进水总管直径 ：.冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为A总，管径d0，组数为n，则：取n=4，求管径。由上式得：查金属材料表选取108×4mm无缝管，d=100mm，g=10.26·kg/m，dd0，认为可满足要求，。现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm，则两直管距离为600mm，两端弯管总长度为：.冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积现取无缝钢管108×4mm，每米长冷却面积为则:冷却管占有体积：每组管长L0和管组高度：另需连接管4.2m：可排竖式直蛇管的高度设为静液面高度，下部可伸入封头260mm。设发酵罐附件占有体积为0.5m3，则：总占有体积为则筒体部分液深为：竖式蛇管总高 取管间距为1m，又两端弯管总长，两端弯管总高为0.5m，则直管部分高度：则一圈管长：每组管子圈数n0：现取管间距为，