生物技术专业课程设计 年产30000吨味精发酵罐设计

专业课程设计年产30000吨味精发酵罐设计1、中文摘要味精是烹饪中常用的一种鲜味调味品，主要以发酵法生产。本论文以年产30000吨为规模，针对味精发酵生产过程中最主要的设备发酵罐进行了模拟设计和选型。本论文设计分发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算和发酵罐的设计与选型两个部分，包括发酵罐型的选择和发酵罐罐体的尺寸、各部结构、搅拌功率、壁厚和容积等计算，并绘制了发酵罐结构图和发酵设备图。【abstract】M【关键词】：味精发酵罐设计选型

2、目录1、中文摘要 22、目录 33、前言 44、发酵生产工艺及流程（发酵菌株、生产条件、原料、工艺流程等） 4味精生产工艺 44.1.1发酵菌株 44.1.2生产原料【3】 44.1.3培养基制备[5] 44.1.4味精发酵生产影响条件 54.1.5味精生产工艺概述[6] 55、发酵罐主要设计条件（发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果） 75、罐体几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸的设计计算 7发酵罐主要设计条件及主要技术指标 7罐体选型、几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸、生产能力的设计计算 8发酵罐的选型 85.2.2发酵罐生产能力、数量和容积的确定 85.2.3罐体主要部件尺寸的设计计算 106、冷却装置设计 146.1冷却方式 146.2装液量 14冷却水耗量 146.4冷却面积的确定 157、发酵罐设计总结及心得体会 15参考文献及资料 163、前言味精是调味料的一种，主要成分为谷氨酸钠。味精的主要作用是增加食品的鲜味，在中国菜里用的最多，也可用于汤和调味汁。味精是人们熟悉的鲜味剂，是L—谷氨酸单钠盐(Monosodiumglutamate)的一水化合物(HOOC-CH2CH(NH2)-COONa·H20)，具有旋光性，有D—型和L—型两种光学异构体。味精具有很强的鲜味(阈值为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。谷氨酸发酵是通气发酵，也是我国目前通气发酵产业中，生产厂家最多、产品产量最大的产业。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［2］。早期味精是由酸法水解蛋白质进行制造的，自从1956年日本协和发酵公司用发酵法生产以后，发酵法生产迅速发展，目前世界各国均以此法进行生产。我设计的是一台200M3的机械搅拌通风发酵罐,4、发酵生产工艺及流程（发酵菌株、生产条件、原料、工艺流程等）4发酵菌株[3]现有谷氨酸生产菌分属于棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属。目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。目前国内各味精厂所使用的谷氨酸生产菌主要有（1）纯齿棒状杆菌AS1.542及其诱变株B9、B9-17-36、F-263等菌株；（2）天津短杆菌T613、及其诱变株FM-415、CMTC6282、S9114等菌株；（3）北京棒杆菌AS1.229及其诱变株D110等菌株。4生产原料谷氨酸生产时发酵原料的选择原则[4]：首先考虑菌体生长繁殖的营养；考虑到有利于谷氨酸的大量积累；还要考虑原料丰富，价格便宜；发酵周期短，产品易提取等因素。目前谷氨酸生产上多采用尿素为氮源，采用分批流加，以生物素为生长因子。国内大多数厂家用淀粉为发酵原料，主要有玉米、小麦、甘薯、大米等，其中甘薯的淀粉最为常用。少数厂家用糖蜜为发酵原料，主要有甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。4培养基制备[5]斜面培养基：葡萄糖0.1%、牛肉膏0.5%、蛋白胨1.0%、氯化钠0.5%、琼脂2.0%、PH7.0~7.2。一级种子培养基：葡萄糖2.5%、尿素0.6%、KH2PO40.1%、MgSO4•7H2O0.04%、玉米浆2.3~3.0ml、pH7.0。二级种子培养基：水解糖12~14%、尿素0.5~0.8%、玉米浆0.5~0.6ml、KH2PO40.1~0.2%、MgSO4•7H2O0.04%、pH7.0。发酵培养基：水解糖12~14、尿素0.5~0.8%、玉米浆0.6ml、MgSO4•7H2O0.06%、KCl0.05%、Na2HPO40.17%、pH7.0。4味精发酵生产影响条件（1）氧，谷氨酸产生菌是好氧菌，通风和搅拌不仅会影响菌种对氮源和碳源的利用率，而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在发酵后期，加大通气量有利于谷氨酸的合成。（2）温度，菌种生长的最适温度为30～32℃。当菌体生长到稳定期，适当提高温度有利于产酸，因此，在发酵后期，可将温度提高到34～37℃。（3）pH，谷氨酸产生菌发酵的最适pH在7.0～8.0。但在发酵过程中，随着营养物质的利用，代谢产物的积累，培养液的pH会不断变化。如随着氮源的利用，放出氨，pH会上升；当糖被利用生成有机酸时，pH会下降。（4）磷酸盐，它是谷氨酸发酵过程中必需的，但浓度不能过高，否则会转向缬氨酸发酵。发酵结束后，常用离子交换树脂法等进行提取。（5）生物素，当生物素缺乏时，菌种生长十分缓慢；当生物素过量时，则转为乳酸发酵。因此，一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产量的谷氨酸。4味精生产工艺概述[6]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)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如图：味精发酵法生产的总工艺流程见图1。水解过滤淀粉水解糖配料水解过滤淀粉水解糖配料种子罐扩大培养原料预处理原料空气空气压缩机冷却气液分离过滤除菌斜面培养摇瓶扩大培养菌种预处理预处理浓缩结晶离心小结晶干燥拌盐粉碎粉状味精大结晶干燥过滤成品味精浓缩结晶离心小结晶干燥拌盐粉碎粉状味精大结晶干燥过滤成品味精过滤脱色除铁中和制味精沉淀粗谷氨酸中和制味精沉淀粗谷氨酸除铁过滤淀粉水解糖配料种子罐扩大培养过滤过滤淀粉水解糖配料种子罐扩大培养过滤淀粉水解糖配料种子罐扩大培养除铁过滤过滤种子罐扩大培养种子罐扩大培养脱色脱色发酵发酵等电点调节等电点调节离心离心溶解溶解中和制味精沉淀粗谷氨酸沉淀粗谷氨酸母液粗谷氨酸中和制味精沉淀粗谷氨酸沉淀粗谷氨酸母液粗谷氨酸粗谷氨酸离子交换处理沉淀离子交换处理沉淀粗谷氨酸溶液中和制味精粗谷氨酸溶液中和制味精图1味精生产总工艺流程图5、发酵罐主要设计条件（发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果）5、罐体几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸的设计计算发酵罐主要设计条件及主要技术指标根据常识，一个良好的发酵罐应满足下列要求：①结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；②有良好的气-液-固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能；③在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；④有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度；⑤有可行的管道比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。表5-1发酵罐主要设计条件项目及代号参数及结果备注发酵产品味精工作压力由任务书确定设计压力由任务书确定发酵温度（工作温度）33根据任务书选取设计温度150由工艺条件确定冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定发酵液密度由工艺条件确定发酵液黏度由工艺条件确定罐体选型、几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸、生产能力的设计计算发酵罐的选型选用机械搅拌通风发酵罐。发酵罐生产能力、数量和容积的确定5.2.2.1发酵罐容积的确定：根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=2.5，则D初步选用公称容积为200m3的发酵罐。公称体积V－－罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和全体积V0－－公称体积和上封头体积之和。封头体积（近似公式）根据设计条件发酵罐的公称体积为200M3(1)发酵罐的全容积：则有：………………eq\o\ac(○,1)……………………eq\o\ac(○,2)解方程得：(2)罐体直径D=4.697m，(3)罐体总高度×=，(4)封头高：(5)封头容积：V封=（m3）(6)圆柱部分容积：V筒=197验算全容积V全：V全=V’全符合设计要求，可行。表5-3200m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积200设计条件全体积230计算罐体直径5000计算发酵罐总高12600计算发酵罐筒体高度10000计算搅拌叶直径1700计算椭圆封头容积计算封头高度1300计算圆柱部分容积197计算发酵罐内径5000计算5.2.2.2每天需糖液体积V糖为：若取发酵罐的填充系数=75%，则每天需要发酵罐总容积V0为：.2.3发酵罐个数的确定：公称容积为200m3的发酵罐，其全容积为230m3。每日需要的发酵罐数N0为：共需要的发酵罐数N1为：每天应有4个发酵罐出料，共需要7个发酵罐。.4实际产量验算：设备富余量为：能满足生产要求。5.2.3罐体主要部件尺寸的设计计算5.2.3.1罐体考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式。设计计算须按GB150-1998《钢制压力容器》进行。5.2.3.2罐体壁厚内压圆筒厚度计算：式中δ—圆筒的设计厚度，mmp—[4]Di—圆筒的内直径，Di=5000mm[4][σ]T—设计温度下圆筒材料的许应用力，[σ]T[4]φ—焊缝系数，φ[4]C1—钢板的厚度负偏差，C1=[4]C2—腐蚀裕量，C2=1mm[4]将各值代入上式查表可选用12mm厚的碳钢钢板。查表知：公称直径为5000mm，壁厚为12mm，1m高筒节钢板质量为1483kg。5.2.3.3封头壁厚计算D－罐体直径（mm）p－耐受压强(取MPa)Di—圆筒的内直径，Di=5000mm[4]φ－焊缝系数，双面焊取0.9[σ]T[4][σ]－设计温度下的许用应力（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa）

查表可选用10mm厚的碳钢钢板5.2.3.4搅拌器[8]图图5-2-3-4六平叶圆盘涡轮搅拌器采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，根据d确定h和b的值尺寸：六平叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大；查阅文献[9]可知200发酵罐采用图5-2-3-4弯叶式搅拌叶叶径，则可以计算出盘径：叶宽：弧长：底距：叶弦长：叶距以单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同这一准则进行的反应器的放大，即：式中n2——放大的搅拌器的转速，r/minn1——模型搅拌器的转速，n=110r/mind1——模型搅拌器直径，d=d2——放大的搅拌器直径，d=将各值代入上式取两档搅拌，搅拌转速79.78r/min。.5仪表接口温度计：装配式热电阻温度传感器Pt100型，开在罐身上；压力表：弹簧管压力表（径向型），精度2.5，型号：，开在封头上；液位计：采用标准：型号：，开在罐身上；溶氧探头：；pH探头：型；5.2.3.6挡板本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。5.2.3.7人孔和视镜[10]人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。本次设计只设置了1个人孔，标准号为：人孔RFⅡ（R·G）450-0.6HG21522-1995，公称直径450，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴750mm处视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了2视镜，直径为DN80，开在顶封头上，位于前后轴线离中心轴750mm处，标记为视镜ⅡPN1.0DN80HGJ501-86-17.8管道接口（采用法兰接口）进料口：直径，开在封头上，排料口：，开在罐底；进气口：，开在封头上；排气口：，开在封头上；冷却水进、出口：，开在罐身；补料口：，开在封头上；取样口：，开在封头上；5.2.3.9其他接管设计5.2.3.9.1接管的长度h各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100~200mm。.3.9.2接管直径的确定按排料管计算：该罐实醪料量m3，设2h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B物则排料管直径d为管径[9]：取无缝管查表选取Φ194×6无缝管，d内=182mm，d平均=188mm。认为合适。.9.3气管直径的确定按通风管计算,风量Q1取大值。利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf取风速v=20m/s，则风管截面积Ff为则气管直径d气为：查表选取Φ133×4无缝管,d内=125mm,d平均=129mm。因通风管也是排料管，故取两者的大值。即取Φ194×6无缝管，可满足工艺要求。可满足工艺要求。.9.4排料时间复核物料流量m3/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间：6、冷却装置设计冷却方式发酵罐容量大，罐体的比表面积小。夹套不能满足冷却要求，使用蛇管冷却，综合比较列管的冷却效果好，在使用水作冷却介质时，选用列管。装液量设计发酵罐装料系数：取75%发酵罐装料液体积：230m3灌装液量为：冷却水耗量由实际情况选用进出口水温为℃、℃，则式中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=26