年产3万吨味精工厂发酵车间设计

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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日前言课程设计是一般高校本科教育中特不重要的一个环节，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（monosodiumglutamate）,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纳的鲜味剂，其消费量在国内外均呈上升趋势。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。味精具有专门强的鲜味（值为0.03%），现已成为人们普遍采纳的鲜味剂，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，它在水溶液中能够完全电离变成谷氨酸离子（GA︱+︱）和钠离子。味精进入胃后，受胃酸作用生成谷氨酸。谷氨酸被人体汲取后，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。味精能够增进人们的食欲，提高人体对其他各种食物的汲取能力，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％能被人体汲取，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。从总体上讲，味精行业的进展前景是比较宽敞的，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，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专门有前景的。本文对味精发酵生产工艺及要紧设备作简要介绍，以期有助于了解通气发酵工艺和要紧设备的有关知识。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，依照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，画动身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，第一部分要紧是味精生产的工艺和设备选择；第二部分包括发酵罐、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关心，在此表示衷心感谢！尽管作者在编写和修改过程中已做了专门大努力，但由于水平有限以及经验不足，其中依旧有许多错误和不当之处，敬请各位老师批判指点，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（Monosodiumglutamate）的一水化合物（HOOC-CH2CH(NH2)-COONaH2O）,或命名为u-氨基戊二酸单钠一水化合物。它含有一分子结晶水，其分子式为HOOC-CH2CH(NH2)-COONaH2O，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，假如碱过量，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195℃，在120℃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时期：第一时期：最早的味精制造方法确实是从天然的食物材料中抽取，例如：将海带以热水煮过，取其汤液浓缩后即可得到含有味精的浓缩液或调味粉。

第二时期：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，采纳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。第三时期：1958年利用微生物生产味精的发酵技术开发成功，要紧是利用葡萄糖、果糖或蔗糖为糖源，经特不筛选的味精生产菌种汲取代谢后，合成大量的麸胺酸，是属于生物合成的天然胺基酸。这些特不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，生产效率特不高。受经济危机阻碍，全球经济大幅缩水，国外的餐饮业大幅受到阻碍，味精工业的进展自然受到冲击，我国味精产业由于要紧以内销为主，阻碍不大，又由于国家大幅扩大内需，是以进展前景乐观。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62.1.330000t/a味精厂发酵车间的物料衡结果82.2热量衡算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要紧参考文献29一.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时期：（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）谷氨酸制取味精及味精成品加工。与这四个工艺时期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要紧生产车间。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。空气菌种原料空气菌种原料空气压缩机预处理斜面培养空气压缩机预处理斜面培养摇瓶扩大培养冷却水解摇瓶扩大培养冷却水解除铁离心沉淀发酵配料过滤除铁离心沉淀发酵配料过滤气液分离种子罐扩大培养过滤气液分离种子罐扩大培养过滤淀粉水解糖淀粉水解糖过滤除菌脱色过滤除菌脱色浓缩结晶浓缩结晶离心离心等电点调节过滤干燥大结晶干燥小结晶等电点调节过滤干燥大结晶干燥小结晶拌盐粉碎拌盐粉碎成品味精粉状味精母液粗谷氨酸粗谷氨酸成品味精粉状味精母液粗谷氨酸粗谷氨酸中和制味精离子交换处理中和制味精离子交换处理粗谷氨酸溶液溶解粗谷氨酸溶液溶解1.2.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，辊式粉碎机要紧用于粒状物料的中碎和细碎［3］。1.2.2.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纳双酶法制糖工艺。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。从试管斜面动身，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纳连消塔—维持罐一喷淋冷却系统外，还可采纳喷射加热器—维持管—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，流淌性差，容易将维持管堵塞，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，国内味精厂大多采纳机械搅拌通风通用式发酵罐，罐体大小在50m3到200m3之间。关于发酵过程采纳人工操纵，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，因此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，还可采纳空气压缩、冷却过滤流程，省去一级冷却设备［4］。1.4.谷氨酸的提取谷氨酸的提取一般采纳等电点—离子交换法，国内有些味精厂还采纳等电点—锌盐法、盐酸水解—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［1］。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，国内许多厂家还采纳箱式烘房干燥，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，生产量大，干燥速度快，干燥时刻短，但干燥过程对味精光泽和外形有阻碍，同时厂房建筑要求较高，如此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／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％，KCl0.12％，Na2HPO40.16%，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%，MgSO40.04％，K2HPO40.1％，尿素0.35％，消泡剂0.03％2.1.2谷氨酸发酵车间的物料衡算首先计算生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原辅材料及其他物料量。（1）发酵液量V1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，（3）二级种液量V2（4）二级种子培养液所需水解糖量G2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：（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：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V3发酵培养基耗尿素为V4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V5发酵培养基耗糖蜜量V6合计耗糖蜜41.1kg（9）氯化钾耗量GKCl（10）磷酸氢二钾（K2HPO4）耗量G3（11）硫酸镁（MgSO4·7H2O）用量G4（12）消泡剂（泡敌）耗用量G5（13）磷酸氢二钠耗用量G6（14）谷氨酸（麸酸）量发酵液谷氨酸含量为：实际生产的谷氨酸（提取率90%）为：（15）玉米浆用量2.1.330000t/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%）的物料量15000t/a味精生产的物料量每日物料量发酵液（m3）8.22246.6822二级种液（m3）0.82282.2发酵水解用糖（kg）1809二级种培养用糖（kg）20.552055水解糖总量（kg）1829.55淀粉(kg)1978.7尿素（或液氨）331.68糖蜜（kg）41.1氯化钾（kg）9.87987磷酸氢二钾（kg）0.82282.2硫酸镁（kg）3.62362泡敌（kg）3.54354磷酸氢二钠（kg）13.151315玉米浆（kg）24.662466谷氨酸（kg）9.92.2热量衡算

热量衡确实是依照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

（1）液化加热蒸汽量

加热蒸汽消耗量（D），可按下式计算：

D=

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）

λ--加热蒸汽凝聚水的焓，在363K时为377kJ/kg

①淀粉浆量G：依照物料衡算，日投工业淀粉197.9t；连续液化，197.9/24=68.2（t/h）。加水为1：2.5，粉浆量为：6820×3.5=13870（t/h）。②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））

③蒸汽用量

D==963（kg/h）

（2）灭酶用蒸汽量

灭酶时将液化液由90℃加热至100℃，在100℃时的λ为419kJ/kg。

D灭==140（kg/h）

要求在20min内使液化液由90℃升至100℃，则蒸汽高峰量为：

140×=420（kg/h）

以上两项合计，平均量963+140=1103（kg/h）；每日用量1.1×24=26.4（t/d）。

高峰量：

963+420=1383（kg/h）

2.2.2.连续灭菌和发酵工序热量衡算

（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%×85%×97%×1.272=11.27（t）

发酵操作时刻48h（其中发酵时刻38h），需发酵罐台数6台。灭菌加热过程中用0.4Mpa蒸汽（表压）I=2743kJ/kg，使用板式换热器将物料由20℃预热至75℃，再加热至120℃。冷却水由20℃升至45℃。每罐灭菌时刻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÷24=1.2（t/h）

（2）发酵罐空罐灭菌蒸汽用量

①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0.2Mpa（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986（kg）

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=Vρ=200×1.622=324.4（kg）

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70℃。

α=33.9+0.19(70-20)=43.4(kJ/(m2·h·K))

200m3发酵罐的表面积为201m2，耗用蒸汽量：

D损==199（kg）

④罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗41（kg）⑤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：1632（kg/h）

每空罐灭菌1.5h，用蒸汽量：

1632×1.5=2448（kg/罐）

每日用蒸汽量：

2448×3=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%MSG29.75t，选用25m3强制内循环结晶罐，浓缩结晶操作周期24h，其中辅助时刻4h。每罐产100%MSG10t，需结晶罐台4台。每罐投入40g/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70℃下真空蒸发结晶，浓缩3h，育晶17h。放料数量20m3

（1）热量衡算

①来料带入热量：进料温度35℃，比热为3.5kJ/（kgoK）

Q来料=（23×1.16+32×1.13）×3.5×35×103=7.7×106（kJ）

②加水带入热量：

Q来水=6×4.18×35×103=8.8×105（kJ）

③晶种带入热量：MSG比热容1.67（kJ/（kgoK））

Q来晶=1600×1.67×20=5.3×104（kJ）

④结晶放热：MSG结晶热为12.7kJ/mol

Q晶热==5.7×105（kJ）

⑤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=15×103×2.83×70=3.0×106（KJ）

⑥随二次蒸汽带走热量：

Q二蒸=（23+32+6-20）×2626×106=1.077×108（kJ）⑦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）

=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）

每罐浓缩结晶时刻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18℃，相对湿度ψ=70%，通过加热器使空气升至80℃，从干燥器出来的空气为60℃。

年产万吨商品味精，日产湿味精30.4t，二班生产，即30.4/16=1.9（t/h）。干燥水重量34（kg/h）

18℃空气湿含量ψ=70%，X0=0.009（kg/kg干空气），I0=41.8kJ/kg干空气；加热80℃，I1=104.5kJ/kg干空气

用公式：Δ=（I2-I1）/（X2-X1）=Q物料+Q损失-Q初温

式中

Δ--空气通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=1.9×103×（60-18）×0.4×4.18/34=3924（kJ/kg水）

Q损失=0.1×（595×4.18+0.47×60×4.18+3924-18×4.18）=645（kJ/kg水）

Δ=18×4.18-3924-645=-4494（kJ/kg水）

设X2=0.0108

I2=I1+Δ（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）

80℃时空气的比容0.83m3/kg

实际消耗空气量为：

18888×0.83=15677（m3/h）

耗用蒸汽量（D）：使用0.1Mpa（表压）蒸汽加热，热损失按15%计：

D==618（kg/h）

每日用蒸汽量：618×16=9888（kg/d）

平均每小时用蒸汽量：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①单罐发酵过程用气量：（m3/h）②单罐年用气量：（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：（m3/h）单罐年用气量：（m3/a）（3）高峰无菌空气耗量：（m3/h）（4）车间无菌空气年耗量：（m3/a）（5）单耗：（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）年空气耗量（m3/h）空气单耗（m3/h）2004658931.55216492112.4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①发酵罐容积的确定：选用200m3罐②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刻)。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：设发酵罐的填充系数φ=75%；则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V0（发酵周期为48h）。③发酵罐个数的确定：公称体积为200m3的发酵罐，总体积为230m3取公称体积200m3发酵罐11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）要紧尺寸的计算：取高径比H：D=2：1则有：H=2D；解方程得：取D=5mH=2D=10m；封头高：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’全符合设计要求，可行。（4）冷却面积的计算对谷氨酸发酵，每1m3发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为4.18×6000kJ/(m3·h)。采纳竖式蛇管换热器，取经验值K=4.18×500kJ/(m3·h·℃)。平均温差Δtm：32℃32℃20℃27℃125代入对公称容量200m3的发酵罐，每天装5罐，每罐实际装液量为换热面积（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取d=1.7（m）叶宽：弧长：底距：盘踞：叶弦长：叶距：弯叶板厚：δ=12（mm）取两挡搅拌，搅拌转速N2可依照50m3罐，搅拌直径1.05m，转速N1=110r/min。以等P0/V为基准[6]放大求得：（6）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。①计算Rem[8]式中D——搅拌器直径，D=1.7mN——搅拌器转速，ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3μ——醪液粘度，μ=1.3×10-3N·s/m2将数代入上式：视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7②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4.7N——搅拌转速，N=80r/min=1.33r/sD——搅拌器直径，D=1.7mρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3代入上式：两挡搅拌：③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=80r/minD——搅拌器直径（cm），D3=1.73×106=4.9×106Q——通风量（ml/min），设通风比VVm=0.11~0.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。现取0.11；则Q=155×0.11×106=1.7×107（ml/min）代入上式：④求电机功率P电：采纳三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：（7）设备结构的工艺计算①空气分布器：本罐采纳单管进风，风管直径φ133×4mm。②挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板③密封方式：本罐采纳双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。④冷却管布置：采纳竖式蛇管Ⅰ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3.69×10-2m3/s，取冷却水在竖直蛇管中的流速为1m/s，依照流体力学方程式，冷却管总截面积S总为：式中W——冷却水体积流量，W=3.69×10-2m3/sV——冷却水流速，v=1m/s代入上式：进水总管直径：Ⅱ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：查金属材料表选取φ89×4mm无缝管[9]，，，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：Ⅲ冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积现取无缝钢管φ89×4mm，每米长冷却面积为则:冷却管占有体积：Ⅳ每组管长L0和管组高度：另需连接管8m：可排竖式直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm。设发酵罐内附件占有体积为0.5m3，则：总占有体积为则筒体部分液深为：竖式蛇管总高又两端弯管总长，两端弯管总高为600mm，则直管部分高度：则一圈管长：Ⅴ每组管子圈数n0：现取管间距为，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同意范围内（不小于200mm）。Ⅵ.校核布置后冷却管的实际传热面积：而前有F=232.5m2，，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①计算法确定发酵罐的壁厚S（cm）式中P——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPaD——发酵罐内经，D=500cm〔σ〕——A3钢的应用应力，〔σ〕=127MPaφ——焊接缝隙，φ=0.7C——壁厚附加量（cm）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=0选用14mm厚A3钢板制作。②封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式[5]如下：（cm）式中P=0.4MPaD=500cm〔σ〕=127MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）φ=0.7（10）接管设计①接管的长度h设计：各接管的长度h依照直径大小和有无保温层，一般取100~200mm。②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，则物料体积流量发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物。管径：取无缝管φ133×4mm，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20~25m/s。现通风比0.1~0.18vvm，为常温下20℃，0.1MPa下的情况，要折算0.4MPa、30℃状态。风量Q1取大值，。利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf[8]取风速v=25m/s，则风管截面积Ff为则气管直径d气为：因通风管也是排料管，故取两者的大值。取φ133×4mm无缝管，可满足工艺要求。排料时刻复核：物料流量Q=0.0108m3/s，流速v=1m/s；管道截面积：，在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为排料时刻：（11）支座选择选用裙式支座2.4.2种子罐发酵所需的种子从试管斜面动身，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。种子罐冷却方式采纳夹套冷却。（1）二级种子罐容积和数量的确定①二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：式中V总——发酵罐总容积（m3）②二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，辅助操作时刻8~10h，生产周期16~18h，因此，二级种子罐6个已足够，其中一个备用。③要紧尺寸的确定种子罐仍采纳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：简化方程如下：整理后解方程得D=2.3m则H=2D=2×2.3=4.6（m）查得封头高H'封罐体总高H'罐：单个封头容量：V'封=4.125（m3）封头表面积：S封=2.23m2圆筒容量：不计上封头容积：校核种子罐总容积V'总：比需要的种子罐容积23m3大，可满足设计要求。④冷却面积的计算采纳夹套冷却Ⅰ发酵产生的总热量：Ⅱ夹套传热系数：现取K=4.18×220kJ/（m2·h·℃）Ⅲ平均温差：发酵温度32℃；水初温20~23℃，取23℃；水终温27℃，则平均温差：Ⅳ需冷却面积F：Ⅴ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：液深：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：夹套高度应不高于动态时的液面高度，因高于液面的传热面积，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=13.6m2S夹〉F，可满足工艺要求。⑤设备材料的选择采纳A3钢制作⑥壁厚计算Ⅰ夹套内罐的壁厚式中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=2×105MPaC——壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18L——筒体长度，L=110cm将数值代入公式：取9mmⅡ封头的厚度δ封：查《发酵工厂工艺设计概论》P317表16碳钢椭圆封头最大需用内部压力i关于上封头，取δ封=6mmii关于下封头，取δ封=8mmⅢ冷却外套壁厚：查《发酵工厂工艺设计概论》P314表13碳钢与普低钢制内压圆筒壁厚，确定δ套=5mmⅣ外套封头壁厚：查《发酵工厂工艺设计概论》P316表15椭圆形封头（JBH54—73），确定δ套封=6mm⑦设备结构的工艺设计Ⅰ挡板：依照全挡板条件，式中B——挡板宽度B＝（0.1-0.12）D=0.1×1400=140mmD——罐径D＝1400mmZ——挡板数：取Z＝6块Ⅱ搅拌器：采纳六弯叶涡轮搅拌器直径：Di＝0.3~0.35D现取：叶片宽度：弧长：盘径：叶弦长：搅拌器间距：底距：搅拌器转速N2，依照50L罐，470r/min，使用P0/V为基准放大[6]，50L 罐N1＝470r/min，搅拌器直径Di=112mm两挡搅拌。Ⅲ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。i计算Rem[8]式中D——搅拌器直径，D=0.49mN——搅拌器转速，ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3μ——醪液粘度，μ=1.3×10-3N·s/m2将数代入上式：视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7ii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4.7N——搅拌转速，N=176r/min=2.93r/sD——搅拌器直径，D=0.49mρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3代入上式：两挡搅拌iii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=176r/minD——搅拌器直径（cm），D3=0.493×106=1.12×105Q——通风量（ml/min），设通风比VVm=0.11~0.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。现取0.11；则Q=3.1×0.11×106=3.41×105（ml/min）代入上式：iv求电机功率P电：采纳三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：Ⅳ进风管：该管距罐底25~60mm之间，现取30mm向下单管。通风管管径计算：设罐压0.4MPa，发酵温度t=32℃，风速v=20m/s，通风量为0.18VVm，常压下t0=20℃，送风量V为：将通风换算成工作状态，求通风管直径d1圆整，查《发酵工厂工艺设计概论》，P313表12，无缝钢管(YB231-70)，管径采纳25×3mm,内径25-2×3=19mm大于12mm，可满足生产要求。Ⅵ进出物料管：该管为物料进口，管底距罐底25~60mm之间，现取30mm向下单管。按输送物料算：20min送完3.1m3物料则物料流量为管道截面为F，物料流速为v=0.5~1m/s，现取v=0.5m/s，则：设管径为：圆整，查《发酵工厂工艺设计概论》，P313表12，无缝钢管(YB2