谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

1、武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要味精是人們熟悉的鮮味劑，是L谷氨酸單鈉鹽(Mono sodium glutamate)的一水化合物(HOOC-CH2CH(NH2)-COONa·H20)，具有旋光性，有D型和L型兩種光學(xué)異構(gòu)體。味精具有很強(qiáng)的鮮味(閾值為0. 03%)，現(xiàn)已成為人們普遍采用的鮮味劑，其消費(fèi)量在國內(nèi)外均呈上升趨勢(shì)。1987年3月，聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織食品添加劑專家聯(lián)合委員會(huì)第十九次會(huì)議，宣布取消對(duì)味精的食用限量，再次確認(rèn)為一種安全可靠的食品添加劑1。早期味精是由酸法水解蛋白質(zhì)進(jìn)行制造的，自從1956年日本協(xié)和發(fā)酵公司用發(fā)酵法生產(chǎn)以后，發(fā)酵法生產(chǎn)迅速發(fā)展，目前

2、世界各國均以此法進(jìn)行生產(chǎn)。谷氨酸發(fā)酵是通氣發(fā)酵，也是我國目前通氣發(fā)酵產(chǎn)業(yè)中，生產(chǎn)廠家最多、產(chǎn)品產(chǎn)量最大的產(chǎn)業(yè)2。該生產(chǎn)工藝和設(shè)備具有很強(qiáng)的典型性，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)中的原料預(yù)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。最后，畫出發(fā)酵工段的工藝流程圖和平面布置圖。整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容大體分成三部分，第一部分主要是味精生產(chǎn)的工藝和設(shè)備選擇；第二部分包括發(fā)酵罐、種子罐及空氣分過濾器的設(shè)計(jì)與選型；第三部分是工藝流程和平面布

3、置圖。關(guān)鍵詞：味精發(fā)酵；工藝計(jì)算；設(shè)備選型；CADAbstractmonosodium glutamate production process can be divided into four processstages: (1) pretreatment of raw materials and the preparation of starch hydrolysis sugar;(2) seeds to expand cultivation and glutamic acid fermentation; (3) glutamic acidextraction andglutamate s

4、ingle preparation of sodium; (4) MSG refined. Corresponding to the four process stages saccharification workshop, set in the MSGplant fermentation workshop, extraction workshop and refining plant as the mainproduction plant. In addition, the steam requirements for the protection of the production pr

5、ocess, set the boiler room, boiler combustion to produce steam, and gas pipelinetransportation to the various production needs parts. For the protection of the water of the entire factory production, the need to set the pump house, water for sterile filtration system processing, transportation and w

6、ater supply pipes to the various productionneeds parts Kerword： Pretreatment Hydrolysis Fermentation Key word: Monosodium glutamate fermentation; Process calculation; Equipment selection; CAD目 錄摘 要IAbstractII一 前言- 1 -二 味精生產(chǎn)工藝- 2 -2.1 味精生產(chǎn)工藝概述- 2 -2.2味精生產(chǎn)總工藝流程圖- 2 -2.3 原料預(yù)處理及淀粉水解糖制備- 3 -2.3.1 原料的預(yù)處理-

7、 3 -2.4 種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵- 4 -2.5 谷氨酸的提取- 5 -2.6 谷氨酸制取味精及味精成品加工- 5 -三 工藝計(jì)算- 6 -3.1 發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)及基本數(shù)據(jù)- 6 -3.2 谷氨酸發(fā)酵車間的物料衡算- 6 -3.2.1 物料衡算結(jié)果- 8 -3.3.2培養(yǎng)液冷卻水用量- 10 -3.3.3 發(fā)酵過程空氣基本數(shù)據(jù)- 10 -3.3.4發(fā)酵過程無菌空氣用量計(jì)算- 10 -四 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型- 13 -4.1 發(fā)酵罐- 13 -4.1.1 發(fā)酵罐的選型及容積- 13 -4.1.2發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定- 13 -4.1.3主要尺寸設(shè)計(jì)- 14 -4.1.4冷卻面積- 14 -4.

8、1.5攪拌器及攪拌軸功率- 15 -4.1.6設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)- 17 -4.1.7支座選擇- 21 -4.2 種子罐- 22 -4.2.1種子罐容積和數(shù)量的確定- 22 -4.2.2冷卻面積的計(jì)算- 23 -4.2.3壁厚計(jì)算- 23 -4.2.4設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)- 24 -4.2.5支座選型- 27 -4.3空氣分過濾器- 27 -4.3.1種子罐分過濾器- 27 -4.3.2發(fā)酵罐分過濾器- 28 -4.4 味精廠發(fā)酵車間設(shè)備一覽表- 29 -五 設(shè)計(jì)總結(jié)與體會(huì)- 30 -六 參考文獻(xiàn)- 31 - 32 -武漢工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）一 前言味精是人們熟悉的鮮味劑，是L谷氨酸單鈉鹽(

9、Mono sodium glutamate)的一水化合物(HOOC-CH2CH(NH2)-COONaH20)，具有旋光性，有D型和L型兩種光學(xué)異構(gòu)體。味精具有很強(qiáng)的鮮味(閾值為0. 03%)，現(xiàn)已成為人們普遍采用的鮮味劑，其消費(fèi)量在國內(nèi)外均呈上升趨勢(shì)。1987年3月，聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織食品添加劑專家聯(lián)合委員會(huì)第十九次會(huì)議，宣布取消對(duì)味精的食用限量，再次確認(rèn)為一種安全可靠的食品添加劑。早期味精是由酸法水解蛋白質(zhì)進(jìn)行制造的，自從1956年日本協(xié)和發(fā)酵公司用發(fā)酵法生產(chǎn)以后，發(fā)酵法生產(chǎn)迅速發(fā)展，目前世界各國均以此法進(jìn)行生產(chǎn)。谷氨酸發(fā)酵是通氣發(fā)酵，也是我國目前通氣發(fā)酵產(chǎn)業(yè)中，生產(chǎn)廠家最多、產(chǎn)品

10、產(chǎn)量最大的產(chǎn)業(yè)。該生產(chǎn)工藝和設(shè)備具有很強(qiáng)的典型性，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)。二 味精生產(chǎn)工藝2.1 味精生產(chǎn)工藝概述味精生產(chǎn)全過程可劃分為四個(gè)工藝階段:(1)原料的預(yù)處理及淀粉水解糖的制備;(2)種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵;(3)谷氨酸的提取;(4)谷氨酸制取味精及味精成品加工。 與這四個(gè)工藝階段相對(duì)應(yīng)味精生產(chǎn)廠家一般都設(shè)置了糖化車間、發(fā)酵車間、提取車間和精制車間作為主要生產(chǎn)車間。另外，為保障生產(chǎn)過程中對(duì)蒸汽的需求，同時(shí)還設(shè)置了動(dòng)力車間，利用鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽，并通過供氣管路輸送到各個(gè)生產(chǎn)需求部位。為保障全廠生產(chǎn)用水，還要設(shè)置供水站

11、。所供的水經(jīng)消毒、過濾系統(tǒng)處理，通過供水管路輸送到各個(gè)生產(chǎn)需求部位。2.2味精生產(chǎn)總工藝流程圖空氣菌種原料空氣壓縮機(jī)預(yù)處理斜面培養(yǎng)搖瓶擴(kuò)大培養(yǎng)冷卻水解除鐵離心沉淀發(fā)酵配料過濾氣液分離種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)過濾淀粉水解糖過濾除菌脫色濃縮結(jié)晶離心等電點(diǎn)調(diào)節(jié)過濾干燥大結(jié)晶干燥母液小結(jié)晶粗谷氨酸拌鹽粉碎粗谷氨酸 成品味精粉狀味精離子交換處理溶解粗谷氨酸溶液中和制味精 圖1 味精生產(chǎn)總工藝流程圖2.3 原料預(yù)處理及淀粉水解糖制備2.3.1 原料的預(yù)處理此工藝操作的目的在于初步破壞原料結(jié)構(gòu)，以便提高原料的利用率，同時(shí)去除固體雜質(zhì)，防止機(jī)器磨損。用于除雜的設(shè)備為篩選機(jī)，常用的是振動(dòng)篩和轉(zhuǎn)筒篩，其中振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單

12、，使用方便。用于原料粉碎的設(shè)備除盤磨機(jī)外，還有錘式粉碎機(jī)和輥式粉碎機(jī)。盤磨機(jī)廣泛用于磨碎大米、玉米、豆類等物料，而錘式粉碎機(jī)應(yīng)用于薯干等脆性原料的中碎和細(xì)碎作用，輥式粉碎機(jī)主要用于粒狀物料的中碎和細(xì)碎。2.2.2 淀粉水解糖制備在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解為葡萄糖的過程稱為淀粉的糖化，所制得的糖液稱為淀粉水解糖。由于谷氨酸生產(chǎn)菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必須將淀粉水解為葡萄糖，才能供發(fā)酵使用。目前，國內(nèi)許多味精廠采用雙酶法制糖工藝。2.4 種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵種子擴(kuò)大培養(yǎng)為保證谷氨酸發(fā)酵過程所需的大量種子，發(fā)酵車間內(nèi)設(shè)置有種子站，完成生產(chǎn)菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)任務(wù)。從試管斜面出發(fā)，經(jīng)活化培養(yǎng)，搖

13、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。 谷氨酸發(fā)酵開始前，首先必須配制發(fā)酵培養(yǎng)基，并對(duì)其作高溫短時(shí)滅菌處理。用于滅菌的工藝除采用連消塔維持罐一噴淋冷卻系統(tǒng)外，還可采用噴射加熱器維持管真空冷卻系統(tǒng)或薄板換熱器滅菌系統(tǒng)。但由于糖液粘度較大，流動(dòng)性差，容易將維持管堵塞，同時(shí)真空冷卻器及薄板加熱器的加工制造成本較高，因而應(yīng)用較少。發(fā)酵設(shè)備，國內(nèi)味精廠大多采用機(jī)械攪拌通風(fēng)通用式發(fā)酵罐，罐體大小在50m3到200m3之間。對(duì)于發(fā)酵過程采用人工控制，檢測(cè)儀表不能及時(shí)反映罐內(nèi)參數(shù)變化，因而發(fā)酵進(jìn)程表現(xiàn)出波動(dòng)性，產(chǎn)酸率不穩(wěn)定。由于谷氨酸發(fā)酵為通風(fēng)發(fā)酵過程，需供給無菌空氣

14、，所以發(fā)酵車間還有一套空氣過濾除菌及供給系統(tǒng)。首先由高空采氣塔采集高空潔凈空氣，經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后導(dǎo)入冷凝器、油水分離器兩級(jí)處理，再送入貯氣罐，進(jìn)而經(jīng)焦炭、瓷環(huán)填充的主過濾器和纖維分過濾器除菌后，送至發(fā)酵罐使用。在北方地區(qū)由于空氣濕度小、溫度低，還可采用空氣壓縮、冷卻過濾流程，省去一級(jí)冷卻設(shè)備。2.5 谷氨酸的提取谷氨酸的提取一般采用等電點(diǎn)離子交換法，國內(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)難度大等問題，應(yīng)用上受到限制 。2.6 谷氨酸制取味精及味精成品加工精制車間加工的谷氨酸產(chǎn)品為谷氨酸單鈉，即味精。粗品經(jīng)提純、加工

15、、包裝，得到成品。味精中和液的脫色過程，除使用碳柱外，還可使用離子交換柱，利用離子交換樹脂的吸附色素。味精的干燥過程，國內(nèi)許多廠家還采用箱式烘房干燥，設(shè)備簡(jiǎn)單，投資低，但操作條件差，生產(chǎn)效率低，不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的要求。也有的廠家使用氣流干燥技術(shù)，生產(chǎn)量大，干燥速度快，干燥時(shí)間短，但干燥過程對(duì)味精光澤和外形有影響，同時(shí)廠房建筑要求較高，這樣均不如振動(dòng)式干燥床應(yīng)用效果好。三 工藝計(jì)算3.1 發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)及基本數(shù)據(jù)（1）查生物工程工程設(shè)計(jì)概論P(yáng)70表4-8谷氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)，選用主要指標(biāo)如表1表1 谷氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模t/a100000（味精）生產(chǎn)方法中糖發(fā)酵，一

16、次等電點(diǎn)提取年生產(chǎn)天數(shù)d/a320產(chǎn)品日產(chǎn)量t/a312.5產(chǎn)品質(zhì)量純度(%)99倒灌率%0.2發(fā)酵周期h50發(fā)酵初糖kg/m3150淀粉糖化轉(zhuǎn)化率%108糖酸轉(zhuǎn)化率%60麩酸谷氨酸含量%95谷氨酸提取率%93味精對(duì)谷氨酸產(chǎn)率%122（2）主要原材料質(zhì)量指標(biāo) 淀粉原料的淀粉含量為85%，含水13%。 （3）二級(jí)種子培養(yǎng)基（g/L） 水解糖50，糖蜜20，磷酸氫二鉀1.0，硫酸鎂0.6，玉米漿510，泡敵0.6，生物素0.02mg，硫酸鎂2mg，硫 硫酸亞鐵2mg/L。 （4）發(fā)酵培養(yǎng)基（g/L） 水解糖150，糖蜜4，硫酸鎂0.6，氯化鉀0.8，磷酸 0.2，泡敵0.6。（5）接種量為8% 。

17、 3.2 谷氨酸發(fā)酵車間的物料衡算 首先計(jì)算生產(chǎn)1000kg純度為100%的味精需耗用的原輔材料及其他物料量。（1）發(fā)酵液量式中 220發(fā)酵培養(yǎng)基終糖濃度（kg/m3） 60%糖酸轉(zhuǎn)化率 93%谷氨酸提取率 99.8%除去倒灌率0.2%后的發(fā)酵成功率 122%味精對(duì)谷氨酸的精制產(chǎn)率（2）發(fā)酵液配制需水解糖量G1 以純糖算， （3）二級(jí)種液量 V2 （4）二級(jí)種子培養(yǎng)液所需水解糖量 G2 式中 50二級(jí)種液含糖量（kg/m3）（5）生產(chǎn)1000kg味精需水解糖總量G為： （6）耗用淀粉原料量 理論上，100kg淀粉轉(zhuǎn)化生成葡萄糖量為111kg，故理論上耗用的淀粉量G淀粉為：式中 80%淀粉原料含

18、純淀粉量 95%淀粉糖轉(zhuǎn)化率（7）甘蔗糖蜜耗用量 二級(jí)種液耗用糖蜜量V5發(fā)酵培養(yǎng)基耗糖蜜量V6合計(jì)耗糖蜜37.46kg（8）氯化鉀耗量GKCl （9）磷酸耗量G3 （10）硫酸鎂（MgSO4·7H2O）用量G4 （11）消泡劑（泡敵）耗用量G5 （12）谷氨酸（麩酸）量 發(fā)酵液谷氨酸含量為：實(shí)際生產(chǎn)的谷氨酸（提取率80%）為： 3.2.1 物料衡算結(jié)果 由上述生產(chǎn)1000kg味精（100%純度）的物料衡算結(jié)果，可求得100000t/a味精廠發(fā)酵車間的物料平衡計(jì)算。具體計(jì)算結(jié)果如下表物料名稱生產(chǎn)1t味精（100%）的物料量100000t/a味精生產(chǎn)的物料量每日物料量發(fā)酵液（m3）6.6

19、96.69×1052.091×103種液（m3）0.53553500167.188發(fā)酵水解用糖（kg）1471.81.47×1084.594×105培養(yǎng)用糖（kg）26.752.675×1068.359×103水解糖總量（kg）1498.551.49855×1084.683×105淀粉(kg)2793.72.7937×1088.73×105糖蜜（kg）37.463.746×1061.171×104氯化鉀（kg）5.355.35×1051671.88磷酸1.341.3

20、4×105418.75硫酸鎂（kg）4.344.34×1051356.25泡敵（kg）4.014.01×1051253.13谷氨酸（kg）8208.2×1072.563×1053.3發(fā)酵過程中的熱量衡算3.3.1發(fā)酵熱的計(jì)算 (KJ/h)式中, Qb為生物合成熱, 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,即: Qb=4.18×6000×2091=5.244×107(KJ/h)而機(jī)械攪拌產(chǎn)生的熱量Qst為:Qst = 3600Pst (KJ/h)式中, -攪拌功熱轉(zhuǎn)換系數(shù), 為0.92 Pst -

21、攪拌軸功率,為304.5kw 即計(jì)算得: 而Qe為排氣使發(fā)酵液水分汽化帶出的熱焓,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),可取:Qe=0.2Qb=1.05×107(KJ/h)故發(fā)酵熱為:Q=Qb+QstQe=5.244×10710085041.05×107=4.294×107(KJ/h)3.3.2培養(yǎng)液冷卻水用量 由培養(yǎng)液板式換熱器滅菌流程可知，120的熱料先通過與生料進(jìn)行交換，降溫至80后，再用冷卻水冷卻至35。在此過程中冷卻水由20升溫至45，由此計(jì)算出冷卻水的用量：式中：4.186為水的平均比熱， 全天冷卻水用量為3.3.3 發(fā)酵過程空氣基本數(shù)據(jù)根據(jù)100 000 t/a味精廠

22、發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)及物料平衡計(jì)算結(jié)果，列出與空氣消耗有關(guān)的基本數(shù)據(jù)有：每天生產(chǎn)312.5t味精的發(fā)酵液量為2.091×103 m3；種液：1.67×102 m3；發(fā)酵時(shí)間：32h；發(fā)酵周期（含清洗、滅菌等）：40h；發(fā)酵罐公稱容積：500 m3（9個(gè)）；發(fā)酵罐裝罐系數(shù)：85。3.3.4發(fā)酵過程無菌空氣用量計(jì)算發(fā)酵車間無菌空氣消耗量主要用于谷氨酸發(fā)酵過程通風(fēng)供氧，其次為種子培養(yǎng)的通氣以及培養(yǎng)基壓料輸送也需要壓縮空氣。此外，因設(shè)備和管路、管件等的消毒吹干以及其他損耗構(gòu)成無菌空氣的耗用量。1、單罐發(fā)酵無菌空氣耗用量根據(jù)資料可知，500m3規(guī)模的通氣攪拌發(fā)酵罐的通氣速率為0.180.

23、35vvm，取最高值0.35 vvm進(jìn)行計(jì)算。（1） 單罐發(fā)酵過程用氣量（常壓空氣） V550×85%×0.35×609817.5（m3/h）（2） 單罐年用量 VaV×32×180=5.65×107（m3） 式中 180每年單罐發(fā)酵批次 2、種子培養(yǎng)等其他無菌空氣耗量可根據(jù)接種量、通氣速率、培養(yǎng)時(shí)間等進(jìn)行計(jì)算。單通常的設(shè)計(jì)習(xí)慣，是把種子培養(yǎng)用氣、培養(yǎng)基壓送及管路損失等算作一次，一般取這些無菌空氣消耗量之和約等于發(fā)酵過程空氣耗量的20。故這項(xiàng)無菌空氣耗量為： V20V1963.5（m3/h）單罐每年用氣量為： 式中 8種子罐培養(yǎng)時(shí)間3

24、、發(fā)酵過程高峰無菌空氣消耗量式中：5種子罐數(shù)4、發(fā)酵車間無菌空氣消耗量 5、根據(jù)設(shè)計(jì)，實(shí)際味精年生產(chǎn)量為：G=100 000 t/a故發(fā)酵車間無菌空氣單耗量為：根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可得出100 000 t/a味精無菌空氣用量衡算表，如表所示。 100 000 t/a味精無菌空氣用量衡算表發(fā)酵罐公稱容積（m3）單罐通氣量（m3/h）種子培養(yǎng)耗氧量（m3/h）高峰空氣耗量（m3/h）年空氣耗量（m3/a）空氣單耗（m3/ t味精） 5009817.51963.5981755.226×1085226注：發(fā)酵罐裝料系數(shù)85，發(fā)酵周期40h，年生產(chǎn)天數(shù)320d，實(shí)際生產(chǎn)能力2.563×

25、105 t/a，公稱容積500 m3 ，全容積550 m3。四 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 4.1 發(fā)酵罐4.1.1 發(fā)酵罐的選型及容積 （1）發(fā)酵罐的選型 選用機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（2）生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定 當(dāng)前, 我國谷氨酸發(fā)酵占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍是機(jī)械渦輪攪拌,即大家所說的通用罐。選用這種發(fā)酵罐的原因主要是:歷史悠久,資料齊全, 在比擬放大方面積累了較豐富的成功經(jīng)驗(yàn),成功率高。（3）發(fā)酵罐容積的確定: 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 生產(chǎn)發(fā)酵罐的專業(yè)廠家越來越多, 現(xiàn)有的發(fā)酵罐容量系列如5, 10, 20, 50, 60, 75, 100, 200, 150, 250, 500m3等等。一般來說單罐容

26、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。現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)成熟，使得大型發(fā)酵罐使用越來越廣泛，且大型發(fā)酵罐效益好，考慮到這方面，我們決定用500m3的發(fā)酵罐。4.1.2發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定生產(chǎn)能力的計(jì)算,每噸99%純度的味精需要V=1000 ÷（220×60%×93%×99.8%×122%）=6.69m3，生產(chǎn)100 000t/a 味精為 6.69×100000 = 6.69×105 m3工作320天，每天需糖液體積：若取發(fā)酵罐的填充系數(shù)=85%，則每天需要發(fā)酵罐總?cè)萘繛椋?V0=V糖/85%=2459.55

27、9(m3)先選用公稱體積500 m3的機(jī)械發(fā)酵罐，其全容量為550 m3。那么每天需要550 m3發(fā)酵罐個(gè)數(shù)為：共需要的發(fā)酵罐數(shù)為：N1=V0×÷(V總×24)8(個(gè))每天應(yīng)有5個(gè)發(fā)酵罐出料，每年工作320天，實(shí)際產(chǎn)量檢驗(yàn)算： 550×85%×5×320÷6.69=111808（t）設(shè)備富裕量為（111808-100000）÷100000 = 11.81%，能滿足生產(chǎn)要求。取公稱體積500 m3 發(fā)酵罐9個(gè)，其中一個(gè)留作備用。4.1.3主要尺寸設(shè)計(jì) 則有：H=1.9D；解方程得： H=1.9D=12.9m； 封頭容

28、積 ：V封=3.1415×6.83÷24=41（m3）圓柱部分容積：V筒=0.785×6.82×12.9=468m3驗(yàn)算全容積V全：V全=V全符合設(shè)計(jì)要求，可行。4.1.4冷卻面積 對(duì)谷氨酸發(fā)酵，每1m3發(fā)酵液、每1h傳給冷卻器的最大熱量約為4.18×6000kJ/(m3·h) 5。采用豎式蛇管換熱器，取經(jīng)驗(yàn)值K=4.18×500 kJ/(m3·h·) 8。平均溫差tm： 32 3220 2712 5代入 換熱面積 4.1.5攪拌器及攪拌軸功率（1）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

29、比例關(guān)系攪拌器葉徑葉寬 ：弧長：底距：盤踞 ：葉弦長：葉距 ：彎葉板厚：=14（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)6放大求得：（2）攪拌軸功率 淀粉水解糖液低濃度細(xì)菌醪，可視為牛頓流體。計(jì)算Rem 式中 D攪拌器直徑，D=2.27m N攪拌器轉(zhuǎn)速， 醪液密度，=1050 kg/m3 醪液粘度， =1.3×10-3N·s/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=65.79r/min=1.1r/

30、s D攪拌器直徑，D=2.27m 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=65.79r/min D攪拌器直徑（cm），D3=2.273×106=1.17×107 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=467.5×0.11×106=5.14×107（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

31、%7；代入公式數(shù)值得：4.1.6設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 空氣分布器：本罐采用單管進(jìn)風(fēng)。 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)靜問題。冷卻管布置：采用豎式蛇管7 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/（kg·K） 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9.958×10-2m3/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=9.9

32、58×10-2m3/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=12，求管徑。由上式得：查金屬材料表選取108×4mm無縫管9， ，認(rèn)為可滿足要求，。現(xiàn)取豎蛇管圈端部U型彎管曲徑為250mm，則兩直管距離為500mm，兩端彎管總長度為： 冷卻管總長度L計(jì)算：由前知冷卻管總面積現(xiàn)取無縫鋼管108×4mm，每米長冷卻面積為則:冷卻管占有體積： 每組管長L0和管組高度：另需連接管4.2m：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500mm。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為1.5m3

33、，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，兩端彎管總高為1m，則直管部分高度：則一圈管長： 每組管子圈數(shù)n0：取10圈L實(shí)=23.71×10×12（4.2×12）=2895.6>2509.2（m）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=627.3m2，可滿足要求。設(shè)備材料的選擇選用A3鋼制作，以降低設(shè)備費(fèi)用。4.1.6.1發(fā)酵罐壁厚的計(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

34、.4MPa D發(fā)酵罐內(nèi)徑，D=680cm 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18mm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5如下： （cm）式中 P=0.4MPa D=680cm=127MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）=0.74.1.6.2接管設(shè)計(jì)接管的長度h設(shè)計(jì)：各接管的長度h根據(jù)直徑大小和有無保溫層，一般取200500mm。接管直徑的確定：按排料管計(jì)算：該罐實(shí)裝醪量467.5m3，設(shè)2h之內(nèi)排空，則物料

35、體積流量發(fā)酵醪流速取v=1m/s;則排料管截面積為F物。管徑：取無縫管325×8mm，309mm287mm，認(rèn)為合適。按通風(fēng)管計(jì)算，壓縮空氣在0.4MPa下，支管氣速為2025m/s?，F(xiàn)通風(fēng)比0.10.50vvm，為常溫下20，0.1MPa下的情況，要折算0.4MPa、30 狀態(tài)。風(fēng)量Q1取大值，。利用氣態(tài)方程式計(jì)算工作狀態(tài)下的風(fēng)量Qf8取風(fēng)速v=25m/s，則風(fēng)管截面積Ff為則氣管直徑d氣為：因通風(fēng)管也是排料管，故取兩者的大值。取325×8mm無縫管，可滿足工藝要求。排料時(shí)間復(fù)核：物料流量Q=0.065m3/s，流速v=1m/s；管道截面積：，在相同的流速下，流過物料因管

36、徑較原來計(jì)算結(jié)果大，則相應(yīng)流速比為排料時(shí)間：4.1.7支座選擇生物工程工廠設(shè)備常用支座分為臥式支座和立式支座。其中臥式支座又分為支腿，圈型支座，鞍型支座三種。立式支座也分為三種即懸掛支座，支承式支座和裙式支座。對(duì)于100m3以上的發(fā)酵罐，由于設(shè)備的質(zhì)量較大，應(yīng)選用裙式支座。4.2 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。 4.2.1種子罐容積和數(shù)量的確定 種子罐容積的確定：接種量為8%計(jì)算，則種子罐容積V種為：式中 V總發(fā)酵罐總?cè)莘e（m3）由上知可選用容積50 m3的種子罐進(jìn)

37、行反應(yīng) 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5罐，需二級(jí)種子罐6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6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=3.1m則H=2D=2×3.1=6.2（m）圓筒容量 ： 單個(gè)封頭容量：V'封=3.897（m3） 校核種子罐總?cè)莘eV'總：比需要的種子罐容積50m3大 ，可滿足設(shè)計(jì)要求。4.2.2冷卻面積的計(jì)算 采用列管冷卻 發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量： 豎式列管傳

38、熱系數(shù)：取經(jīng)驗(yàn)值K=4.18×500kJ/（m2·h·） 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： 冷卻面積F： 設(shè)備材料的選擇 采用A3鋼制作4.2.3壁厚計(jì)算 內(nèi)罐的壁厚式中 D設(shè)備的公稱直徑，310cm 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，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=2×105MPa C壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18 L筒體長度，L=110cm將數(shù)值代入公式：取12mm 封頭的厚度封：查發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論P(yáng)

39、317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=9mmii 對(duì)于下封頭，取封=12mm 冷卻外套壁厚：查發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論P(yáng)314表13 碳鋼與普低鋼制內(nèi)壓圓筒壁厚，確定套=9mm 外套封頭壁厚：查發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論P(yáng)316表15 橢圓形封頭，確定套封=12mm4.2.4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=0.1×3100=310mm D罐徑D3100mm 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)?。喝~片寬度：弧長：盤徑：葉弦長：攪拌器間距：底距：攪拌器轉(zhuǎn)速N2，根據(jù)50L罐，470

40、r/min，使用P0/V為基準(zhǔn)放大6，N1470r/min，攪拌器直徑Di=112mm兩擋攪拌。 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。i 計(jì)算Rem8式中 D攪拌器直徑，D=0.93m N攪拌器轉(zhuǎn)速， 醪液密度，=1050 kg/m3 醪液粘度， =1.3×10-3N·s/m2 將數(shù)代入上式：視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)Np=4.7ii 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=114.62r/min=1.91r/s D攪拌器直徑，D=0.93m 醪液密度，=1050kg/m3 代入上式：兩擋攪拌iii

41、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=114.62r/min D攪拌器直徑（cm），D3=0.933×106=8.04×105 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。現(xiàn)取0.11；則Q=44×0.11×106=4.84×106（ml/min）代入上式：iv 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： 進(jìn)風(fēng)管：該管距罐底4090mm之間，現(xiàn)取50mm向下單管。通風(fēng)

42、管管徑計(jì)算：設(shè)罐壓0.4MPa，發(fā)酵溫度t=32，風(fēng)速v=20m/s，通風(fēng)量為0.18VVm，常壓下t0=20，送風(fēng)量V為：將通風(fēng)換算成工作狀態(tài)，求通風(fēng)管直徑d1圓整，查發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論，無縫鋼管(YB231-70)，管徑采用63×3.5mm ,內(nèi)徑63-2×3.5=56 mm大于45 mm，可滿足生產(chǎn)要求。 進(jìn)出物料管：該管為物料進(jìn)口，管底距罐底4090mm之間，現(xiàn)取60mm向下單管。按輸送物料算：20min送完3.1m3物料則物料流量為管道截面為F，物料流速為v=0.51m/s，現(xiàn)取v=0.5m/s，則：設(shè)管徑為：查發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論，無縫鋼管，管徑采用325&#

43、215;8mm ,內(nèi)徑325-2×8=309 mm大于305 mm，可滿足生產(chǎn)要求。 冷卻水管：由前知需冷卻熱量，冷卻水溫變化23 27，水比熱容則耗水量W為：=13.938（kg/s）取水流速v=1m/s；則冷卻管直徑為4.2.5支座選型 選用支撐式支座4.3空氣分過濾器4.3.1種子罐分過濾器分過濾器風(fēng)量的計(jì)算：查生物工程設(shè)備P389 表3-1-9 JLS-D型空氣過濾器技術(shù)特性，選用JLS-D-3型空氣過濾器，過濾能力3m3/min，外型尺寸238×1085mm, 重量36kg，進(jìn)出口管徑48×4，與種子罐進(jìn)風(fēng)口不一致，可采用法蘭變徑即可。過濾能力3m3/min大于2.044m3/min，能滿足生產(chǎn)要求。 數(shù)量與級(jí)種子罐數(shù)量一致，共6只。 4.3.2發(fā)酵罐分過濾器分過濾器濾層直徑計(jì)算： 式中 V通過發(fā)酵罐分過濾器的空氣流量（0.4MPa下） Vs通過分過濾器的氣速，現(xiàn)取0.2m/s則 分過濾器直徑：。 現(xiàn)取 ：查金屬材料表，選無縫鋼管，或用鋼板卷制。圓整倒推薦值：D過濾器=2000mm分過濾器的壁厚：設(shè)計(jì)壓力P=0.5MPa取S=6mm。進(jìn)出氣管：進(jìn)出氣管直徑可取與設(shè)備通風(fēng)管一致，即133×4無縫管數(shù)量：分過濾器與發(fā)酵罐相配合，每罐一個(gè)，共需9臺(tái)。濾