年產(chǎn)1萬(wàn)噸谷氨酸鈉發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

摘要課程設(shè)計(jì)是普通高校本科教育中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的重要環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)為年產(chǎn)1萬(wàn)噸谷氨酸鈉的生產(chǎn)車(chē)間設(shè)計(jì)，通過(guò)雙酶法谷氨酸中糖發(fā)酵以及一次等電點(diǎn)提取工藝生產(chǎn)谷氨酸鈉。本文對(duì)味精發(fā)酵生產(chǎn)工藝及主要設(shè)備作簡(jiǎn)要介紹，以期有助于了解通氣發(fā)酵工藝和主要設(shè)備的有關(guān)知識(shí)。設(shè)計(jì)內(nèi)容為，了解味精生產(chǎn)中的原料處理、發(fā)酵、提取部分的生產(chǎn)方法和生產(chǎn)流程，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇發(fā)酵工段合適的生產(chǎn)流程，并對(duì)流程中的原料進(jìn)行物料衡算、熱量衡算及設(shè)備的選擇。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞1：谷氨酸鈉；關(guān)鍵詞2：發(fā)酵；關(guān)鍵詞3：工藝流程abstractcourse is designed to education of undergraduate course of common colleges and universities in a very important link, is also a combination of theoretical knowledge and practical application of important link.this design for the annual output of 10000 tons of mono-sodium glutamate production workshop design, through the double enzymatic sugar in glutamate fermentation and a second-class mono-sodium glutamate isoelectric point extraction process production.in this paper, a brief introduction of the process and main equipment for the production of mono-sodium glutamate fermentation, in order to help understand the concerned knowledge of aeration fermentation process and main equipment.design content for, understand mono-sodium glutamate in the production of raw materials processing, fermentation, extraction part of manufacturing processes and production methods, according to the actual situation to choose suitable fermentation section in the production process, and the process of raw material to carry on the material balance, heat balance and the selection of equipment.key words: msg; fermentation; technological process1 谷氨酸發(fā)酵的工藝流程1.1 工藝流程1.1.1 谷氨酸發(fā)酵原理葡萄糖6-磷酸葡萄糖已糖激酶葡萄糖激酶6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸葡萄糖異構(gòu)酶磷酸果糖激酶醛縮酶磷酸甘油醛脫氫酶磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸變位酶烯醇化酶丙酮酸激酶乙酰coa草酰乙酸檸檬酸順烏頭酸乙酰coa異檸檬酸草酰琥珀酸-酮戊二酸谷氨酸鈉氨氣，碳酸氫鈉coash,nad+,丙酮酸脫氫酶復(fù)合體 1.1.2 谷氨酸發(fā)酵工藝流程 壓縮空氣過(guò)濾除菌菌種斜面培養(yǎng)種子擴(kuò)大培養(yǎng)原料預(yù)處理水解過(guò)濾配料發(fā)酵加熱除菌等電點(diǎn)調(diào)節(jié)沉淀離心粗谷氨酸母液離子交換處理粗谷氨酸溶液溶解中和加純堿活性炭脫色離子交換除鎂鐵鈣等金屬離子過(guò)濾濃縮結(jié)晶離心結(jié)晶干燥精制谷氨酸鈉1.2 原料的選擇2 我國(guó)味精生產(chǎn)均以淀粉為原料，成本相對(duì)比較高，如全部改用玉米代替大米作原料，每噸味精成本由比國(guó)際同行業(yè)先進(jìn)水平高1000元降到比國(guó)際同行業(yè)先進(jìn)水平低2000元水平，同時(shí)可以大大減少生產(chǎn)所形成的有機(jī)廢水、廢渣，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。 玉米進(jìn)行浸泡磨漿，再調(diào)成15bx，調(diào)ph6.0，加細(xì)菌-淀粉酶進(jìn)行液化，8530min，加糖化酶60糖化24h，過(guò)濾后可供配置培養(yǎng)基。1.3 谷氨酸生產(chǎn)菌種玉米為原料發(fā)酵生產(chǎn)味精常用菌株有：谷氨酸棒桿菌、黃色短桿菌、乳糖發(fā)酵短桿菌、嗜氨小桿菌、硫殖短桿菌等。國(guó)產(chǎn)菌株有：北京棒桿菌as1.299、北京棒桿菌7338、北京棒桿菌d110、棒桿菌s-944、鈍齒棒桿菌as1.542、鈍齒棒桿菌hu7251、。本工藝選用谷氨酸棒狀桿菌(corynebacterium glutamicum)：生物素缺陷型、溫度敏感型。1.4 培養(yǎng)基1.4.1 培養(yǎng)基選擇 國(guó)內(nèi)谷氨酸發(fā)酵種子擴(kuò)大培養(yǎng)普遍采用二級(jí)種子培養(yǎng)的流程，即：斜面菌種一級(jí)種子培養(yǎng)二級(jí)種子培養(yǎng)發(fā)酵罐。 1.一級(jí)種子培養(yǎng) 一級(jí)種子培養(yǎng)的目的在于大量繁殖活力強(qiáng)的菌種，培養(yǎng)基組成應(yīng)以少含糖分，多含有機(jī)氮為主，培養(yǎng)條件從有利于長(zhǎng)菌考慮。 2.二級(jí)種子培養(yǎng)為了獲得發(fā)酵所需要的足夠數(shù)量菌體，在一級(jí)種子培養(yǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)而擴(kuò)大到種子罐的二級(jí)種子培養(yǎng)。種子罐容積大小取決于發(fā)酵罐大小和種量比例。 3.發(fā)酵培養(yǎng)基與種子培養(yǎng)及不同，發(fā)酵培養(yǎng)基不僅是提供給菌體生長(zhǎng)繁殖所需要的營(yíng)養(yǎng)和能源，而且是構(gòu)成谷氨酸的碳架來(lái)源，要累積大量谷氨酸，就要有足夠量的碳源和氮源，其量大大的高于種子培養(yǎng)基，對(duì)于菌體繁殖所必需的因子生物素卻要控制其用量。谷氨酸產(chǎn)生菌是異養(yǎng)微生物，只能從有機(jī)化合物中取得碳素的營(yíng)養(yǎng)，并以分解氧化有機(jī)物產(chǎn)生的能量供給細(xì)胞中合成反應(yīng)所需要的能量。目前所發(fā)現(xiàn)的谷氨酸產(chǎn)生菌均不能利用淀粉，只能利用葡萄糖、果糖、蔗糖和麥芽糖等。在谷氨酸發(fā)酵中氮源的用途：組成菌體含氮物質(zhì)；組成谷氨酸的氨基；調(diào)節(jié)ph值，形成谷氨酸銨；另外，一部分分解放出氨隨排氣溢出。無(wú)機(jī)鹽是微生物生命活動(dòng)所不可缺少的物質(zhì)，其主要功能是構(gòu)成菌體成分；作為酶的組成成分；酶的激活劑或抑制劑；調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的滲透壓；調(diào)節(jié)ph值和氧化還原點(diǎn)位等。在谷氨酸發(fā)酵中，由于通氣和攪拌，產(chǎn)生少量泡沫是空氣溶解于發(fā)酵液中和產(chǎn)生二氧化碳的結(jié)果。因此，發(fā)酵的過(guò)程產(chǎn)生少量泡沫是正常的。為了防止泡沫的過(guò)多生成和消除泡沫，一般要加少量的消泡劑。1.4.2 發(fā)酵培養(yǎng)基（g/l）7 水解糖150，甘蔗糖蜜6，尿素35，玉米漿510，硫酸鎂0.7，氯化鉀0.9，磷酸0.2，生物素2/l，泡敵1.0，接種量為7% 用naoh（5%）溶液調(diào)ph 7.201.4.3 斜面培養(yǎng)基 保藏斜面培養(yǎng)基：牛肉膏l(xiāng)，蛋白胨l，氯化鈉0.5，瓊脂2，ph7.0。 活化斜面培養(yǎng)基：葡萄糖0.1，牛肉膏l(xiāng)，蛋白胨l，氯化鈉0.5，瓊脂2，ph7.0。1.4.4 一級(jí)種子培養(yǎng)基3 葡萄糖2.5% 尿素0.5% 硫酸鎂0.04% 磷酸氫二鉀0.1% 玉米漿 2.53.5% 硫酸亞鐵、硫酸錳各20ppm、ph7.01.4.5 二級(jí)種子培養(yǎng)基（g/l）5 水解糖40，糖蜜20，尿素5，磷酸氫二鉀2，硫酸鎂0.6，玉米漿510，泡敵0.6，生物素0.02mg/l，硫酸錳2mg/l，硫酸亞鐵2mg/l，接種量為2%。 ph 6.87.01.5 淀粉的糖化1.5.1 酸水解法4 酸水解法又稱(chēng)酸糖化法，是一種傳統(tǒng)的水解方法。以酸(無(wú)機(jī)酸或有機(jī)酸)為催化劑，在高溫高壓下將淀粉水解為葡萄糖的方法。 該法具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備簡(jiǎn)易、生產(chǎn)周期短、設(shè)備生產(chǎn)能力大等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于水解反應(yīng)是在高溫、高壓及較高酸濃度條件下進(jìn)行的，因此，該法要求有耐腐蝕、耐高溫、耐高壓的設(shè)備。此外，淀粉在酸水解過(guò)程中所發(fā)生的副反應(yīng)較多，造成葡萄糖量減少以及不可發(fā)酵性糖類(lèi)、色素等物質(zhì)增多。這不僅降低淀粉轉(zhuǎn)化率，而且由于生產(chǎn)的糖液質(zhì)量差，對(duì)而后的發(fā)酵、提取都帶來(lái)不利影響。并且酸水解法對(duì)淀粉原料要求嚴(yán)格，必須是精制淀粉，淀粉顆粒大小要均勻，不宜過(guò)大，否則易造成水解不透徹。淀粉乳濃度也不宜過(guò)高，過(guò)高則淀粉轉(zhuǎn)化率低。因此目前酸解法已逐步被酶解法所取代。1.5.2 酶水解法 酶水解法制葡萄糖可分為兩步：第一步是利用液化腳化淀粉水解成糊精和低聚糖等，使黏度大為降低，流動(dòng)性增高，所以工業(yè)上稱(chēng)為液化。第二步是利用糖化酶將糊精或低聚糖進(jìn)一步水解為葡萄糖，在生產(chǎn)上稱(chēng)為糖化。由于采用了酶液化和酶糖化工藝，故也稱(chēng)為雙酶水解法。酶水解法(雙酶水解法)的優(yōu)點(diǎn)： (1)淀粉水解是在酶的作用下進(jìn)行的，酶解反應(yīng)條件較溫和，因此不需耐高溫、耐高壓、耐酸的設(shè)備。同時(shí)，酶在反應(yīng)過(guò)程中也不產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，對(duì)設(shè)備要求低，也改善了勞動(dòng)衛(wèi)生條件。 (2)微生物酶作用的專(zhuān)一性強(qiáng)，效率高，淀粉水解的副反應(yīng)少，因而水解糖液的純度高，淀粉轉(zhuǎn)化率高，糖液顏色淺，較純凈，無(wú)異味，質(zhì)量高，有利于糖液的充分利用。 (3)可在較高淀粉乳濃度下水解，水解糖液的還原糖含量可達(dá)到30以上。 (4)可采用粗原料，省去粗原料加工成精制淀粉的生產(chǎn)過(guò)程，避免淀粉加工中的原料流失，減少糧食消耗。 (5)由于微生物酶制劑中菌體細(xì)胞的自溶，使得糖液的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較豐富，簡(jiǎn)化了發(fā)酵培養(yǎng)基。酶水解法(雙酶水解法)的缺點(diǎn)是：生產(chǎn)周期較長(zhǎng)(一般48h)；要求的設(shè)備較多，設(shè)備投資人：由于酶本身是蛋白質(zhì)，易造成糖液過(guò)濾困難。但是，隨著酶制劑生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)的提高和酶制劑的大量生產(chǎn)，酶水解法制糖逐漸代替酸法制糖，已成為淀粉水解制糖的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。1.5.3 酸酶結(jié)合水解法 酸酶結(jié)合水解法是集酸法和酶法制糖的優(yōu)點(diǎn)而成的生產(chǎn)工藝。此法又可分為酸酶(水解)法或酶酸(水解)法。(1)酸酶水解法 酸酶水解法即先以酸為催化劑將淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶將其水解為葡萄糖的工藝。玉米、小麥等谷類(lèi)淀粉，淀粉顆粒堅(jiān)實(shí)，如果用淀粉酶液化在短時(shí)間內(nèi)往往不徹底。因此，針對(duì)這種情況，采用酸將淀粉水解到一定程度，然后將水解液降溫、中和，再加入糖化酶進(jìn)行糖化。由于糖化是在糖化酶作用下完成的，因此對(duì)液化液要求不高。用酸酶水解淀粉制糖，液化速度快，可采用較高的淀粉乳濃度，提高了生產(chǎn)效率；用酸量較少產(chǎn)品顏色淺，糖液質(zhì)量高。(2)酶酸水解法 酶酸水解法是將淀粉乳先用淀粉酶液化到一定程度，然后用酸水解成葡萄糖的工藝方法。耐于顆粒大小不一的淀粉(如碎米淀粉等)，如果用酸法水解，則常導(dǎo)致水解不均勻，淀粉糖轉(zhuǎn)化率低。針對(duì)此種情況可先用淀粉酶液化，過(guò)濾除雜后，再用酸法水解成葡萄糖。用酶酸法制糖，能采用粗原料淀粉，減少原料損失，一般可提高原料利用率15左右；生產(chǎn)較易控制，可采用較高的淀粉濃度；生產(chǎn)周期短，提高了生產(chǎn)效率；酸水解ph可控制稍高，減少了淀粉水解副反應(yīng)的發(fā)生，糖液色澤較淺，質(zhì)量較好。1.6 谷氨酸提取及谷氨酸制備工藝1.6.1 谷氨酸的提取1谷氨酸的提取一般采用等電點(diǎn)離子交換法，國(guó)內(nèi)有些味精廠還采用等電點(diǎn)鋅鹽法、鹽酸水解等電點(diǎn)法及離子交換膜電滲析法提取谷氨酸。但存在廢水污染大，生產(chǎn)成本高，技術(shù)難度大等問(wèn)題，應(yīng)用上受到限制。具體來(lái)說(shuō)包括三個(gè)步驟，酸中和、堿中和、等電點(diǎn)分離。其中酸中和、堿中和過(guò)程就是向中和罐盤(pán)管內(nèi)注入冷凍鹽水，將發(fā)酵液溫度調(diào)到22，由于谷氨酸等電點(diǎn)只有3.2左右，需要加硫酸調(diào)節(jié)ph值，該過(guò)程要先以較快的速率加酸，將ph先調(diào)整至5.0，停止加酸與攪拌1.5h，保證晶體增長(zhǎng)，然后繼續(xù)緩慢加酸調(diào)整，直至ph降為3.2左右，溫度冷卻至8，達(dá)到等電點(diǎn)停止攪拌。谷氨酸沉淀過(guò)濾分離之后可以獲得粗糙晶體。1.6.2 谷氨酸鈉的制取將谷氨酸凝聚物充入二次中和罐，然后加水加純堿中和成谷氨酸鈉，加水溶解溫度為4060， na2co3調(diào)ph至5.6，中和溫度控制在70以?xún)?nèi)，接著將谷氨酸鈉鹽溶液充入活性炭脫色器脫色，分離，再進(jìn)入離子交換柱除去ca2+、fe2+、mg2+等金屬離子，即可得到高純度的谷氨酸鈉溶液,將純凈的谷氨酸鈉溶液導(dǎo)入結(jié)晶罐,進(jìn)行減壓蒸發(fā),當(dāng)波度達(dá)到295波時(shí)放入晶種,進(jìn)入育晶階段,根據(jù)結(jié)晶罐內(nèi)溶液的飽和度和結(jié)晶情況實(shí)時(shí)控制谷氨酸鈉溶液輸入量及進(jìn)水量。經(jīng)過(guò)十幾小時(shí)的蒸發(fā)結(jié)晶,當(dāng)結(jié)晶形態(tài)達(dá)到一定要求、物料積累到80%高度時(shí),將料液放至助晶槽,結(jié)晶長(zhǎng)成后分離出味精,送去干燥和篩選。精制車(chē)間加工的谷氨酸產(chǎn)品為谷氨酸單鈉，即味精。2 谷氨酸鈉的物料衡2.1 主要技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱(chēng)單位指標(biāo)數(shù)指標(biāo)名稱(chēng)單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模t/a10000糖酸轉(zhuǎn)化率%60年生產(chǎn)天數(shù)d/a300發(fā)酵初糖150生產(chǎn)方法雙酶法、等電點(diǎn)離子交換法玉米漿含糖率%85產(chǎn)品日產(chǎn)量t/d34蜜糖含糖率%50倒罐率%0.2谷氨酸含量%95發(fā)酵周期h40谷氨酸提取率%90淀粉糖化轉(zhuǎn)化率%108味精對(duì)谷氨酸產(chǎn)率%1082.2 主要材料質(zhì)量指標(biāo)2.2 1 玉米淀粉原料 淀粉原料的含量為85%，含水11%2.2.2 二級(jí)種子培養(yǎng)基（g/l）5 水解糖40，糖蜜20，尿素5，磷酸氫二鉀2，硫酸鎂0.6，玉米漿510，泡敵0.6，生物素0.02mg/l，硫酸錳2mg/l，硫酸亞鐵2mg/l，接種量為2%。2.2.3 發(fā)酵初始培養(yǎng)基（g/l）7 水解糖150，甘蔗糖蜜6，尿素35，玉米漿510，硫酸鎂0.7，氯化鉀0.9，磷酸氫二鉀0.2，生物素2/l，泡敵1.0，接種量為7% 2.3 谷氨酸發(fā)酵車(chē)間的物料衡算計(jì)算生產(chǎn)1噸（1000kg）純度為100%的谷氨酸鈉需耗用的原材料以及其他物料量： 1.發(fā)酵液量： 式中： 150發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度 60%糖酸轉(zhuǎn)化率 90%谷氨酸提取率 99.8%除去倒罐率0.2%后的發(fā)酵成功率 108%味精對(duì)谷氨酸的精制產(chǎn)率 2.發(fā)酵液配置需水解糖量： 以純糖算： 3.二級(jí)種液量： 式中：7%接種量 4.二級(jí)種子培養(yǎng)液所需的水解糖量： 式中：40二級(jí)種液含糖量 5.生產(chǎn)1000kg谷氨酸鈉所需要的水解糖總量： 6.消耗淀粉原料的量： 由于理論上100kg淀粉轉(zhuǎn)化為葡萄糖的量為111kg，因此理論上耗用淀粉的量為： 式中：108%淀粉糖化轉(zhuǎn)化率 85%淀粉原料含純淀粉量 7.蜜糖耗用量： 8.尿素耗用量： 9.泡敵耗用量： 10.硫酸鎂的耗用量： 11.生物素的耗用量： 12.磷酸氫二鉀的耗用量： 13.硫酸錳的耗用量： 14.硫酸亞鐵的耗用量： 15.氯化鉀的耗用量： 16.谷氨酸量： 發(fā)酵液谷氨酸含量為： 式中：60%糖酸轉(zhuǎn)化率 0.2%倒罐率 實(shí)際生產(chǎn)的谷氨酸： 式中：90%谷氨酸提取率2.4 10000t/a谷氨酸鈉發(fā)酵車(chē)間的物料衡算表由上述生產(chǎn)1000kg谷氨酸鈉(純度100%)的物料衡算結(jié)果，可求得年生產(chǎn)10000噸味精廠發(fā)酵車(chē)間的物料平衡計(jì)算，結(jié)果如下：物料名稱(chēng)生產(chǎn)1噸100%純度味精的物料量生產(chǎn)10000噸100%純度味精的物料量每日物料量發(fā)酵液()11.454114540381.80發(fā)酵液配置需水解糖(kg)1718.11718100057270二級(jí)種液()0.80800026.67二級(jí)種子培養(yǎng)液所需的水解糖(kg)323200001066.67谷氨酸鈉所需要的水解糖總量(kg)1750.11750100058336.67淀粉原料(kg)1717.501717500057250蜜糖(kg)84.7248472402824.13尿素(kg)404.89404890013496.33泡敵(kg)11.934119340397.8硫酸鎂(kg)8.497884978283.26生物素(g)0.03893891.297磷酸氫二鉀(kg)3.890838908129.693硫酸錳(g)1.61600053.33硫酸亞鐵(g)1.61600053.33氯化鉀(kg)10.3086103086343.62谷氨酸(kg)925.929259200308643 谷氨酸發(fā)酵的熱量衡算3.1 熱平衡方程式熱量衡算是根據(jù)能量守恒定律建立起來(lái)的，熱平衡方程表示如下： 式中輸入的熱量總和（kj） 輸出的熱量總和（kj） 損失的熱量總和（kj） 式中 物料帶入的熱量（kj） 由加熱劑（或冷卻劑）傳給設(shè)備和所處理的物料的熱量（kj） 過(guò)程的熱效應(yīng)，包括生物反應(yīng)熱、攪拌熱等（kj） 物料帶出的熱量（kj） 加熱設(shè)備需要的熱量（kj） 加熱物料需要的熱量（kj） 氣體或蒸汽帶出的熱量（kj） 將上式代入得： 值得注意的是，對(duì)具體的單元設(shè)備，上述的各項(xiàng)熱量不一定都存在，故進(jìn)行熱量衡算時(shí)，必須根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析。主要工藝參數(shù)6：序號(hào)生產(chǎn)工序參數(shù)名稱(chēng)指標(biāo)淀粉質(zhì)原料蜜糖原料1制糖（雙酶法）淀粉糖化轉(zhuǎn)化率%982發(fā)酵產(chǎn)酸率g/dl8.08.03發(fā)酵糖酸轉(zhuǎn)化率%50554谷氨酸提取提取收率%8680熱量衡算計(jì)算指標(biāo)：項(xiàng)目指標(biāo)發(fā)酵產(chǎn)酸率10%發(fā)酵對(duì)糖轉(zhuǎn)化率60%淀粉糖化轉(zhuǎn)化率108%培養(yǎng)菌種消耗糖為發(fā)酵耗糖的2%谷氨酸提取收率90%精制收率108%淀粉原料的含量為85%發(fā)酵周期40小時(shí)全年工作時(shí)間300天3.2 液化工序熱量衡算3.2.1 液化加熱蒸汽量大多數(shù)微生物的生長(zhǎng)、繁殖和代謝都需要氧的存在，尤其是耗氧培養(yǎng)過(guò)程，更是需要大量的氧，氧有時(shí)甚至是影響發(fā)酵生產(chǎn)的制約因素。在好氧發(fā)酵過(guò)程中，要使發(fā)酵液保持一定的溶氧濃度，就必須向反應(yīng)系統(tǒng)通入大量的無(wú)菌空氣，以保證發(fā)酵液有一定的溶氧濃度，使發(fā)酵過(guò)程得以順利進(jìn)行。通過(guò)無(wú)菌空氣用量的計(jì)算可以確定與發(fā)酵設(shè)備配套的壓縮機(jī)的選型與臺(tái)數(shù)，并進(jìn)行空氣過(guò)濾除菌系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)。加熱蒸汽消耗量（d）按以下方式計(jì)算： 式中：g淀粉漿量(kg/h) c淀粉漿比熱容kj/(kg) 漿料初溫（20+273=293k） 液化溫度（90+273=363k） i加熱蒸汽焓2738kj/kg（0.3mpa表壓） 加熱蒸汽凝結(jié)水的焓在363k時(shí)為377kj/kg(內(nèi)差法求得，其中89.9攝氏度時(shí)為=376.61，在100攝氏度時(shí)390.08) 淀粉漿量g：根據(jù)物料衡算，日投工業(yè)淀粉34t，連續(xù)液化，加為1:2.5粉漿量為：粉漿干物質(zhì)濃度：粉漿比熱c可按下式計(jì)算： 式中：淀粉質(zhì)比熱容，取1.55kj/（kg） x粉漿干物質(zhì)含量24.29% 水的比熱容，4.18kj/(kg) 蒸汽用量：3.2.2 滅酶用蒸汽量滅酶時(shí)將液化液由90加熱至100，在100時(shí)的為419kj/kg要求在20min內(nèi)使液化液由90攝氏度升溫至100攝氏度，則蒸汽高峰量為：以上兩項(xiàng)合計(jì)，平均量為：523.64+75.95=599.59（kg/h）=0.6(t/h)每日用量：高峰量：523.64+227.85=751.49（kg/h）3.2.3 液化液冷卻用水使用板框換熱器，將物料由100攝氏度降至65攝氏度，使用二次水，冷卻水進(jìn)口溫度為20攝氏度，出水溫度為58.7攝氏度，需冷卻水量（w）為：即102.2（t/d）3.3 糖化工序熱量衡算由于物料衡算日需水解糖58336.67kg即58.34t/d，58.341.09=53.52，糖化操作周期為30h，其中糖化時(shí)間為25h，糖化罐300，裝料200，需糖化罐數(shù)量：取1臺(tái)。使用板式換熱器，使糖化液（滅菌后）由85攝氏度降至60攝氏度，用二次水冷卻，冷卻水進(jìn)口溫度為20攝氏度，出口溫度為45攝氏度，平均用水量為：要求在2小時(shí)內(nèi)把200液糖液冷卻到40攝氏度，高峰用水量為：每日糖化罐同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)：每投放料罐次：每日冷卻水用量：3.4 連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算3.4.1 培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量采用發(fā)酵罐體積為200，200發(fā)酵罐裝料系數(shù)0.80，每罐產(chǎn)100%谷氨酸鈉的量： 2000.8010%90%108%1.272=19.782（t/d）年產(chǎn)商品味精1萬(wàn)噸，日產(chǎn)100%谷氨酸鈉34噸.發(fā)酵操作時(shí)間40h，其中發(fā)酵時(shí)間32 h。 需發(fā)酵罐臺(tái)數(shù)：取3臺(tái) 由于裝罐率，所以每罐初始體積160m3糖濃度15.0g/dl，滅菌前培養(yǎng)基含糖20.0g/dl，其數(shù)量： 每日投（放）料罐次 （罐）取2罐次。滅菌加熱過(guò)程中用0.4mpa（表壓）i=2743 kj/kg，使用板式換熱器將物料由20c預(yù)熱至75c，再加熱至120c，冷卻水由20c升到45c。每罐滅菌時(shí)間3h，輸料流量：消毒滅菌用蒸汽量（d）： 式中：3.97為糖液的比熱容， kj/（kgc） 每天用蒸汽量： 3.232=19.2（t/d） 高峰用蒸汽量： 3.23=9.6（t/h） 平均用蒸汽量： 19.2/24=0.80（t/h）3.4.2 培養(yǎng)液冷卻用水量由120攝氏度熱料通過(guò)與生料熱交換，降至80攝氏度，再用水冷卻至35攝氏度，冷卻水由20攝氏度升至45攝氏度，計(jì)算冷卻水量（w）：全天用水量為：3.4.3 發(fā)酵罐空罐滅菌蒸汽量 發(fā)酵罐體加熱： 200，1cr18ni9的發(fā)酵罐體重34.3t，冷卻排管重6t，1cr18ni9的比熱容0.5 kj/（kgc）9，用0.2mpa（表壓）蒸汽滅菌，使發(fā)酵罐在0.15 mpa（表壓）下由20c升至127c，其蒸汽量為： 填充發(fā)酵罐空間的蒸汽量：因200 發(fā)酵罐的全容積大于200 ，考慮到罐內(nèi)之排管，攪拌器等所占之空間罐之自由空間仍按200m3計(jì)算，填充空間需蒸汽量： 式中：v發(fā)酵罐全容積（） 加熱蒸汽的密度（kg/）0.2mpa（表壓）時(shí)為1.622（kg/） 滅菌過(guò)程的熱功當(dāng)量損失： 輻射與對(duì)流聯(lián)合給熱系數(shù)，罐外壁溫度70c。 =33.90.19（7020）=43.4kg/（m3hc）200m3發(fā)酵罐的表面積為201，耗用蒸汽量： 罐壁附著洗滌水升溫的蒸汽消耗： 式中：0.001附壁水平均厚度（1mm） 1000水密度 （kg/m3） 滅菌過(guò)程蒸汽滲漏，取總汽消耗量的5%，空罐滅菌蒸汽消耗量; 每空罐滅菌1.5 h，用蒸汽量：1594.121.5=2392.68（kg/罐） 每日用蒸汽量： 2392.68=7178.04（kg/d）=7.2（t/d） 平均用蒸汽量： 7178.04/24 =299.085（kg/h）=0.030（t/h） 高峰用蒸汽量：2392.684= 9570.72（kg/h）=0.96（t/h）3.5 谷氨酸鈉溶液濃縮結(jié)晶過(guò)程的熱量衡算年產(chǎn)1萬(wàn)噸谷氨酸鈉，日產(chǎn)100%谷氨酸鈉34t，選用25強(qiáng)制內(nèi)循環(huán)結(jié)晶罐，濃縮結(jié)晶操作周期24h，其中輔助時(shí)間4h。每罐產(chǎn)100%谷氨酸鈉10t，需結(jié)晶罐臺(tái)為： 式中：1.6每罐投入的晶種量（t）每罐投入40g/dl的中和脫色液（俗稱(chēng)原液）23，流加30g/dl母液32，過(guò)程中加水6，在70下真空蒸發(fā)結(jié)晶，濃縮3h，育晶17h。放料數(shù)量203.5.1 熱量衡算來(lái)料帶入熱量：進(jìn)料溫度35，比熱為 加水帶入熱量： 晶種帶入熱量：msg比熱容 結(jié)晶放熱：msg結(jié)晶熱為 母液帶走熱量：分離母液12，折算為相對(duì)密度1.26時(shí)15t，比熱容為 隨二次蒸汽帶走熱量：隨結(jié)晶msg帶走熱量： 需外界供給熱量：3.5.2 計(jì)算蒸汽用量每罐次用汽量：熱損按5%折算，通蒸汽為0.2mpa(表壓) 式中：27170.2mpa（表壓）下的蒸汽焓(kj/kg) 5350.2mpa（表壓）下的凝結(jié)水焓(kj/kg) 每罐濃縮結(jié)晶時(shí)間20h，每小時(shí)耗蒸汽高峰量：45830/20=2292（kg/h） 5臺(tái)罐（實(shí)際是4.05臺(tái)）同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，高峰用蒸汽量： 4.052292=9282.6（kg/h） 每日用蒸汽量： 4.059282.6=37594.53（kg/d）=37.6(t/d） 每小時(shí)平均用蒸汽量：37.6/24=1.57（t/h）3.6 干燥過(guò)程的熱量衡算分離后之濕msg含水2%，干燥后達(dá)到0.2%，進(jìn)加熱之空氣為18，相對(duì)濕度=70%，通過(guò)加熱器使空氣升至80，從干燥器出來(lái)的空氣為60。 年產(chǎn)1萬(wàn)噸谷氨酸鈉，日產(chǎn)濕味精，二班生產(chǎn)，即34.69/16=2.168（t/h）。 18空氣濕含量70%，=0.009（kg/kg絕干空氣），=41.8（kj/kg絕干空氣）；加熱80，=104.5（kj/kg絕干空氣） 用公式： 式中：空氣經(jīng)過(guò)干燥后的熱量變化（kj/kg） 出空氣加熱器之空氣熱焓（kj/kg） 出干燥之空氣熱焓（kj/kg） 冷空氣之熱焓(kj/kg) 空氣濕含量(kj/kg絕干空氣) 進(jìn)干燥器之空氣濕含量(kj/kg絕干空氣) 出干燥器之空氣濕含量(kj/kg絕干空氣) 物料初始溫度時(shí)的物料中每1kg水之含熱量(kj/kg絕干空氣) 加熱物料所耗熱量 損失熱量，通常為有效熱量的10% =184.18-3198.4-578.21= -3701.37（kj/kg水） 設(shè)=0.0108 i2=i1+（x2-x1）=104.5+（-3701.37）（0.0108-0.009）=97.3（kj/kg空氣） 空氣耗量為： 47.6/（0.0108-0.009）=26444（kg/h） 80時(shí)空氣的比容0.83 實(shí)際消耗空氣量為： 264440.83=21949（） 耗用蒸汽量（d）：使用0.1mpa（表壓）蒸汽加熱，熱損失按15%計(jì)： 每日用蒸汽量：866.0516=13857（kg/d）=13.9（t/d） 平均每小時(shí)用蒸汽量：13857/24=577（kg/h）=0.58（t/h）3.7 產(chǎn)過(guò)生程耗用蒸汽衡算匯總衡算結(jié)果 每日用蒸汽量為92.3t/d，每小時(shí)平均量為3.85t/h，高峰量為19.2t/h。年產(chǎn)10000噸味精熱量衡算表名稱(chēng)每日用量（t）每小時(shí)均量（t）高峰量（t）蒸汽92.33.8521.184 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型4.1 發(fā)酵罐 4.1.1.發(fā)酵罐類(lèi)型8 由發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備組成的發(fā)酵工段中，發(fā)酵罐是主要設(shè)備，其他為附屬設(shè)備。罐體是由圓柱形中部及橢圓形或蝶形封頭焊接而成的封閉式受壓容器，其材料為碳鋼或不銹鋼，對(duì)大型發(fā)酵罐還可以用內(nèi)襯不銹鋼板（23mm）或復(fù)合板。此次設(shè)計(jì)使用選用機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。4.1.2 發(fā)酵罐容積的確定 隨著科技發(fā)展，現(xiàn)有的發(fā)酵罐容量系列有：5，10，20，50，60，75，100，120，150，200，250，500m3等等。一般說(shuō)來(lái)單罐容量越大，經(jīng)濟(jì)性能越好，但風(fēng)險(xiǎn)也越大，要求技術(shù)管理水平也越高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，罐體越長(zhǎng)，氧利用率越高，但考慮罐穩(wěn)定性及其他因素，罐體不宜過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模跟實(shí)用性，可以選擇公稱(chēng)容積為200 m3的六彎葉機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。4.1.3 生產(chǎn)能力的計(jì)算 現(xiàn)在每天產(chǎn)99%純度的味精為34噸，谷氨酸的生產(chǎn)周期是40h（包括發(fā)酵、發(fā)酵罐清洗和滅菌進(jìn)出物料等輔助操作時(shí)間）。則每天需發(fā)酵液體積為v發(fā)酵。每天產(chǎn)純度為99%的味精34噸，每噸100%谷氨酸鈉需發(fā)酵糖液為6.55m3：=6.553499%=220.473（m3） 發(fā)酵罐填充系數(shù)是=80%，則每天需要發(fā)酵罐總?cè)莘e為v0（生產(chǎn)周期40h）。 v0= /=220.473/0.8=275.59（m3） 4.1.4 發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定 以公稱(chēng)容積為200 m3的六彎葉機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐為基礎(chǔ)，需要發(fā)酵罐個(gè)數(shù)設(shè)為nn= v發(fā)酵/（v總.24）=220.47340/（2000.824）=2.3（個(gè)） 則需要取公稱(chēng)容積為200 m3的發(fā)酵罐3個(gè)；現(xiàn)在以單灌公稱(chēng)容量200 m3的六彎葉機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐為例，則每天需要個(gè)數(shù)為n0：n0=275.59200=1.38約為2個(gè)實(shí)際產(chǎn)量為：富裕量為：（14656.49 -10000）/10000=46.56%，滿(mǎn)足產(chǎn)量要求。4.1.5 主要尺寸計(jì)算取高徑比為 h：d=2：1 則： 且：h=2d 解方程得： 取d=5m h=2d=10m； 封頭高為： 封頭容積為 ： v封=16.4（m3） 圓柱部分容積為： v筒=197m3 驗(yàn)算全容積v全為： v全=v全 符合設(shè)計(jì)的要求，可行。4.2 冷卻面積的計(jì)算 對(duì)谷氨酸的發(fā)酵，采用豎式蛇管換熱器，取總傳熱系數(shù)為k=4.18500 kj/（m3h）。 設(shè)平均溫差為tm： 32 32 20 27 12 5 代入 對(duì)公稱(chēng)容量為200 m3的發(fā)酵罐每罐實(shí)際裝液量110.7m3 則換熱面積 ： 4.3 攪拌器計(jì)算 選用六彎葉渦輪攪拌器，該攪拌器的各部分尺寸與罐徑d有一定比例關(guān)系。 攪拌器葉徑為： 取di=1.7（m） 葉寬為： 弧長(zhǎng)為： 底距為： 盤(pán)踞為： 葉弦長(zhǎng)為： 葉距為： 彎葉板厚為： =12（mm） 取兩擋攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速n2可根據(jù)50m3罐，攪拌直徑1.05m，轉(zhuǎn)速n1=110r/min。以等p0/v為基準(zhǔn)放大求得： 4.4 攪拌軸功率的計(jì)算 淀粉水解糖液低濃度細(xì)菌醪，可視為牛頓流體。計(jì)算rem11 式中：d攪拌器直徑，d=1.7m n攪拌器轉(zhuǎn)速， 醪液密度，=1050 kg/m3 醪液粘度， =1.310-3ns/m2 將數(shù)代入上式： 視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)np=4.7 計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌軸功率p0： 式中：np在湍流攪拌狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù)4.7 n攪拌轉(zhuǎn)速，n=80r/min=1.33r/s d攪拌器直徑，d=1.7m 醪液密度，=1050kg/m3 代入上式： 兩擋攪拌： 計(jì)算通風(fēng)時(shí)的軸功率pg 式中：p0不通風(fēng)時(shí)攪拌軸功率（kw）， n軸轉(zhuǎn)速，n=80r/min d攪拌器直徑（cm），d3=1.73106=4.9106 q通風(fēng)量（ml/min），設(shè)通風(fēng)比vvm=0.110.18，取低限，如通風(fēng)量變大，pg會(huì)小，為安全?，F(xiàn)取0.11； 則q=1550.11106=1.7107（ml/min） 代入上式： 求電機(jī)功率p電： 采用三角帶傳動(dòng)1=0.92；滾動(dòng)軸承2=0.99，滑動(dòng)軸承3=0.98；端面密封增加功率為1%；代入公式數(shù)值得：4.5 設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝計(jì)算 空氣分布器：本罐采用單管進(jìn)風(fēng)，風(fēng)管直徑1334mm。 擋板：本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設(shè)擋板 密封方式：本罐采用雙面機(jī)械密封方式，處理軸與罐的動(dòng)靜問(wèn)題。 冷卻管布置：采用豎式蛇管12 最高負(fù)荷下的耗水量w 式中：q總每1m3醪液在發(fā)酵最旺盛時(shí)，1h的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積 cp冷卻水的比熱容，4.18kj/（kgk） t2冷卻水終溫，t2=27 t1冷卻水初溫，t1=20 將各值代入上式冷卻水體積流量為3.6910-2m3/s，取冷卻水在豎直蛇管中的流速為1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積s總為：式中 w冷卻水體積流量，w=3.6910-2m3/s v冷卻水流速，v=1m/s代入上式：進(jìn)水總管直徑 ：冷卻管組數(shù)和管徑：設(shè)冷卻管總表面積為s總，管徑d0，組數(shù)為n，則：取n=8，求管徑。由上式得：查金屬材料表選取894mm無(wú)縫管， ，認(rèn)為可滿(mǎn)足要求，?，F(xiàn)取豎蛇管圈端部u型彎管曲徑為300mm，則兩直管距離為600mm，兩端彎管總長(zhǎng)度為：冷卻管總長(zhǎng)度l計(jì)算：由前知冷卻管總面積現(xiàn)取無(wú)縫鋼管10894mm，每米長(zhǎng)冷卻面積為則:冷卻管占有體積：每組管長(zhǎng)l0和管組高度：另需連接管8m：可排豎式直蛇管的高度，設(shè)為靜液面高度，下部可伸入封頭250mm。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為0.5m3，則：總占有體積為則筒體部分液深為：豎式蛇管總高 又兩端彎管總長(zhǎng)，兩端彎管總高為600mm，則直管部分高度：則一圈管長(zhǎng)：每組管子圈數(shù)n0：現(xiàn)取管間距為，豎蛇管與罐壁的最小距離為0.15m，則可計(jì)算出攪拌器的距離在允許范圍內(nèi)（不小于200mm）。校核布置后冷卻管的實(shí)際傳熱面積：而前有f=166.1m2，可滿(mǎn)足要求。4.6 設(shè)備材料的選擇13選用a3鋼制作，以降低設(shè)備費(fèi)用。4.7罐壁厚的計(jì)算計(jì)算法確定發(fā)酵罐的壁厚s （cm）式中 p設(shè)計(jì)壓力，取最高工作壓力的1.05倍，現(xiàn)取p=0.4mpa d發(fā)酵罐內(nèi)經(jīng)，d=500cm a3鋼的應(yīng)用應(yīng)力，=127mpa 焊接縫隙， =0.7 c壁厚附加量（cm）式中 c1鋼板負(fù)偏差，現(xiàn)取c1=0.8mm c2為腐蝕余量，現(xiàn)取c2=2mm c3加工減薄量，現(xiàn)取c3=0選用14mm厚a3鋼板制作。封頭壁厚計(jì)算：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的厚度計(jì)算公式如下： （cm）式中 p=0.4mpa d=500cm=127mpac=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）=0.74.8 種子罐 發(fā)酵所需的種子從試管斜面出發(fā)，經(jīng)活化培養(yǎng)，搖瓶培養(yǎng)，擴(kuò)大至一級(jí)乃至二級(jí)種子罐培養(yǎng)，最終向發(fā)酵罐提供足夠數(shù)量的健壯的生產(chǎn)種子。種子罐冷卻方式采用夾套冷卻。 4.8.1 二級(jí)種子罐容積和數(shù)量的確定 二級(jí)種子罐容積的確定：接種量為7%計(jì)算，則種子罐容積v種2為：式中 v總發(fā)酵罐總?cè)莘e（m3） 二級(jí)種子罐個(gè)數(shù)的確定：種子罐與發(fā)酵罐對(duì)應(yīng)上料。發(fā)酵罐平均每天上2罐，需二級(jí)種子罐3個(gè)。種子罐培養(yǎng)8h，輔助操作時(shí)間810h，生產(chǎn)周期1618h，因此，二級(jí)種子罐3個(gè)已足夠，其中一個(gè)備用。主要尺寸的確定 種子罐仍采用幾何相似的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。h：d=2：1，則種子罐總?cè)莘e量v總為：簡(jiǎn)化方程如下： 整理后解方程得d=1.8m則h=2d=21.8=3.6（m）查得封頭高h(yuǎn)封 罐體總高h(yuǎn)罐：?jiǎn)蝹€(gè)封頭容量：v封=4.125（m3）封頭表面積： s封=2.23m2圓筒容量 ： 不計(jì)上封頭容積 ：校核種子罐總?cè)莘ev總：比需要的種子罐容積11m3大 ，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。冷卻面積的計(jì)算 采用夾套冷卻 發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量： 夾套傳熱系數(shù)：現(xiàn)取k=4.18220kj/（m2h）【9】 平均溫差：發(fā)酵溫度32；水初溫2023，取23；水終溫27，則平均溫差： 需冷卻面積f： 核算夾套冷卻面積：按靜止液深確定夾套高度： 靜止液體浸沒(méi)筒體高度 ： 液深 ： 夾套可能實(shí)現(xiàn)的冷卻面積為封頭表標(biāo)面積s封與圓筒被液體浸沒(méi)的筒體為表面積s筒之和：夾套高度應(yīng)不高于動(dòng)態(tài)時(shí)的液面高度，因高于液面的傳熱面積，并沒(méi)有起多少冷卻作用。綜上，傳熱需要的面積f=12.1（m2）該設(shè)計(jì)夾套能提供的冷卻面積為s夾=13.6 m2s夾f，可滿(mǎn)足工藝要求。設(shè)備材料的選擇采用a3鋼制作壁厚計(jì)算 夾套內(nèi)罐的壁厚式中 d設(shè)備的公稱(chēng)直徑，140cm m外壓容器的穩(wěn)定系數(shù)，與設(shè)備的起始橢圓度有關(guān)，在我國(guó)，m=3 p設(shè)計(jì)壓力，與水壓有關(guān)，p=0.4mpa e金屬材料的彈性模量9，對(duì)a3鋼e=2105mpa c壁厚附加量，c=c1+c2+c3=0.08+0.1+0=0.18 l筒體長(zhǎng)度，l=110cm將數(shù)值代入公式：取9mm 封頭的厚度封：查發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論p317表16 碳鋼橢圓封頭最大需用內(nèi)部壓力i 對(duì)于上封頭，取封=6mmii 對(duì)于下封頭，取封=8mm 冷卻外套壁厚：查發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論p314表13 碳鋼與普低鋼制內(nèi)壓圓筒壁厚，確定套=5mm 外套封頭壁厚：查發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論p316表15 橢圓形封頭（jbh5473），確定套封=6mm設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì) 擋板：根據(jù)全擋板條件，式中b擋板寬度b（0.1-0.12）d=0.11400=140mm d罐徑d1400mm z擋板數(shù)：取z6塊 攪拌器：采用六彎葉渦輪攪拌器直徑：di0.30.35d現(xiàn)取：葉片寬度：弧長(zhǎng)：盤(pán)徑：葉弦長(zhǎng)：攪拌器間距：底距：攪拌器轉(zhuǎn)速n2，根據(jù)50l罐，470r/min，使用p0/v為基準(zhǔn)放大6，50l罐n1470r/min，攪拌器直徑di=112mm兩擋攪拌。4.8.2 一級(jí)種子罐 一級(jí)種子罐的選型 選用機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 一級(jí)種子罐容積和數(shù)量的確定 種子罐容積的確定：接種量按2%計(jì)算，則種子罐容積v種1為