味精工廠發(fā)酵車間設計資料

1、生物工程工廠設計課程設計報告目130000td味精工廠發(fā)酵車間設計系 別：專業(yè)班級：姓 名：學 號：指導教師：（課程設計時間：2012年6月4日2012年6月24 0）XXXXX學校摘要課程設訃是普通高校本科教育中非常重要的一個環(huán)節(jié)，同時也是理論知識與 實際應用相結(jié)合的重要環(huán)節(jié)。本設計為年產(chǎn)13萬噸味精廠的生產(chǎn)車間設計，通 過雙酶法谷氨酸中糖發(fā)酵以及一次等電點提取匸藝生產(chǎn)谷氨酸鈉。本文對味精發(fā) 酵生產(chǎn)工藝及主要設備作簡要介紹，以期有助于了解通氣發(fā)酵工藝和主要設備的 有關知識。設計內(nèi)容為，了解味精生產(chǎn)中的原料預處理、發(fā)酵、提取部分的生產(chǎn) 方法和生產(chǎn)流程，根據(jù)實際情況來選擇發(fā)酵工段合適的生產(chǎn)流程，

2、并對流程中的 原料進行物料衡算、熱量衡算及設備的選擇。最后，畫出發(fā)酵工段的工藝流程圖 和平面布置圖。AbStraCtCOUrSe design is Very important IinkS to COmmOn COnege UndergradUate education , but also the COmbinatiOn Of theoretical knowledge and PraCtiCal application . The design is about Of the annual OUtPUt Of 130000 tons Of GOUrmet POWder Factory,s

3、 WOrkShOP design, through the two enzymes method Of fermentation and SUgar glutamic acid a SeCOnd-CIaSS electric POint extraction technology PrOdUCtiOn glutamic acid SodiUnL In this paper, it briefly introduced the nonosodiun glutamate fermentation PrOdUCtiOn PrOCeSS and the Inain equipment. In Orde

4、r to help US to UnderStand the fermentation PrOCeSS and the main equipment VentilatiOn Of relevant knowledge.The COntent Of design COnCkIde UnderStanding the monosodium glutamate PrOdUCtiOn Inaterial pretreatment, fermentation, the InethOdS Of extracting PrOduCtiOn and PrOdUCtiOn PrOCeSS TO SeIeCt S

5、Uitable fermentation PrOdUCtiOn PrOCeSS and COndUCt the material balance, heat balance CaICUlatiOnS and equipment ChOiCe according to actual COnditiOn.1課程設計目的12課程設計題目描述和要求22.1設計題目描述22. 2設計內(nèi)容22. 3設計要求23 130000ta味精工廠發(fā)酵車間的物料衡算33. 1味精發(fā)酵法生產(chǎn)的總工藝流程33. 2工藝技術(shù)指標及基礎數(shù)據(jù)43. 3谷氨酸發(fā)酵車間的物料衡算53.4 130000ta味精廠發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)

6、果74味精發(fā)酵過程熱量衡算84. 1液化工序熱量衡算84. 1. 1液化加熱蒸汽量84.1.2滅酶用蒸汽量94. 1.3液化冷卻水用量94. 2糖化熱量衡算94. 3連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算104.3.1培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量104. 3. 2培養(yǎng)液冷卻用水量114. 3.3填充發(fā)酵罐空間所需的蒸汽量114. 3.4發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量及冷卻用水量115水平衡計算135.1糖化工序用水量135. 2連續(xù)滅菌工序用水量135. 3發(fā)酵工序用水136無菌壓縮空氣消耗量計算146. 1谷氨酸發(fā)酵無菌空氣平衡示意圖146.2發(fā)酵工藝指標及基礎數(shù)據(jù)146. 3發(fā)酵過程無菌空氣用量計算146. 4年產(chǎn)13

7、0000噸味精無菌空氣衡算表：157設備設計與選型167. 1發(fā)酵耀設計167. 1. 1發(fā)酵罐選型與數(shù)量167.1.2發(fā)酵罐主要尺寸167.1.3冷卻面積計算167.1.4攪拌器計算187.1.5攪拌軸功率的計算197.2設備結(jié)構(gòu)的工藝計算 207.3設備材料的選擇閭237.4發(fā)酵罐壁厚的計算237. 5接管設計247.6支座選擇257. 7種子罐257. 7. 1種子罐容積和數(shù)量的確定257. 7.2主要尺寸的確定267. 7. 3冷卻面積的計算277. 7.4設備材料的選擇及設備工藝278工藝設計計算結(jié)果匯總及主要符號說明32附錄一 130000ta味精廠發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果32附錄二

8、熱雖衡算33附錄三 發(fā)酵過程無菌空氣用雖34附錄四設備參數(shù)349總結(jié)36參考文獻361課程設計目的生物工程設備課程的課堂教學和課程設汁形成一個典型的綜合性教學環(huán)節(jié),課 程設訃是課堂課程教學的最后一個環(huán)節(jié)，這種教學安排對本課程的學習具有是十分重 要意義，主要表現(xiàn)在一下兒個方面：（1）本課程設計旨在讓學生綜合運用機械設計及其有關先修課程，如機械制圖、 測量與公差配合、金屬材料與熱處理、工程力學等的理論和生產(chǎn)實際知識進行機械訓 練，使理論和實際結(jié)合起來。針對設訃過程中所遇到的問題和困惑更深的鞏固我們課 堂所學基本原理和理論，實現(xiàn)從點到面的廣泛學習，再從面到點的總結(jié)歸納，使我們 能更好地掌握生產(chǎn)設備設

9、計的基本原則、基本程序和基本方法。（2）生工設備課程設計是以實際訓練為主的課程，學生應在過程中收集設計數(shù) 據(jù)，在教師指導下完成一定的設備設計任務，以達到培養(yǎng)設計能力的LI的，學習和掌 握機械設計到的一般步驟和方法，培養(yǎng)設汁能力和解決實際問題的能力，也為畢業(yè)設 計乃至承擔工業(yè)生產(chǎn)全程設計打下良好的基礎。（3）要樹立正確的設計思想和求是精神，本著嚴謹、負責、協(xié)調(diào)、創(chuàng)新的工作 作風，進行基本技能的訓練，對準確地工程計算、制圖、查閱資料（如手冊、圖冊、 技術(shù)標準、規(guī)范等）、搜集數(shù)據(jù)以及進行經(jīng)驗估算等機械方面的基本技能得到一次綜 合訓練，提高技能水平，并能用簡潔的文字、清晰的圖表來表達設計意圖，培養(yǎng)綜合

10、 應用知識能力、全面思考問題和團隊協(xié)作精神。2課程設計題目描述和要求2.1設計題目描述設計一個年產(chǎn)130000噸的味精發(fā)酵車間。已知條件為A釆用中糖發(fā)酵，等電點一離子交換提取的主產(chǎn)方法；B選用A3鋼板，材料在設計溫度下的許用應力, = HOMPa ;C鋼板厚度負偏差G =0.8曲,腐蝕裕量取C? =2勸；D使用含淀粉86%的工業(yè)淀粉原料：試確定該發(fā)酵車間的各設備及其布置情況。2. 2設計內(nèi)容根據(jù)所給的設計題Ll完成以下內(nèi)容：(1) 設計方案確定；(2) 相關衡算；(3) 主要設備工藝計算；(4) 主要工藝流程設計；G)輔助(或周邊)設備的計算或選擇；(6)制圖(包括帶節(jié)點控制的工藝流程圖和發(fā)酵

11、車間的設備平面布置圖)、 編寫設計說明書及其它。2. 3設計要求設計時間為兩周。設計成果要求如下：1. 完成設計所需數(shù)據(jù)的收集與整理2. 完成發(fā)酵車間中各設備的各種計算3. 完成相關設施的設計計算4. 完成谷氨酸發(fā)酵流程圖，完成車間設備布置平面圖5. 完成設計說明書或計算書(手書或電子版打印均可)3 130000ta味精工廠發(fā)酵車間的物料衡算3.1味精發(fā)酵法生產(chǎn)的總工藝流程谷氨酸發(fā)酵采用淀粉原料，雙酶法糖化，中初糖發(fā)酵流加高糖，等電點-離子 交換提取的工藝。其工藝流程示意圖見圖1。菌種原料斜面培養(yǎng)預處理空氣壓縮機I脫色濃縮結(jié)晶粗谷氨酸粗谷氨酸中和制味精離子交換處理粗谷氨酸溶液圖1味精生產(chǎn)總工藝

12、流程圖3. 2工藝技術(shù)指標及基礎數(shù)據(jù)(1) 味精行業(yè)國家企業(yè)標準，選用主要指標如表1表1味精發(fā)酵工藝技術(shù)指標指標名稱單位指標數(shù)生產(chǎn)規(guī)模t/a130000 （味精）生產(chǎn)方法中糖發(fā)酵,等電點-離子交換提取年生產(chǎn)天數(shù)d/a300產(chǎn)品日產(chǎn)量t/d433. 33產(chǎn)品質(zhì)量純度99%倒灌率%0.2發(fā)酵周期h48發(fā)酵初糖Kgm3150淀粉糖轉(zhuǎn)化率%108流加高濃糖%500糖酸轉(zhuǎn)化率%60隸酸谷氨酸含量%95谷氨酸提取率%95味精對谷氨酸產(chǎn)率%122(2) 主要原材料質(zhì)量指標 淀粉原料的淀粉含量為86陰 含水14%(3) 二級種子培養(yǎng)基(gL)水解糖50,糖蜜20,磷酸氫二鉀1.0,硫酸鎂0.6, 玉米漿510

13、,泡敵0.6,生物素0. 02mg,硫酸亞鐵2mgL,硫酸鎰2mgL°(4) 發(fā)酵初始培養(yǎng)基(gL)水解糖150,糖蜜4,硫酸鎂0.6,氯化鉀0.8, 磷酸0.2,生物素2ug,泡敵1.0,接種量為8%。3. 3谷氨酸發(fā)酵車間的物料衡算首先計算生產(chǎn)IOOOkg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VIVI=I(X)O ÷(220 ×60%×95%×99.8%×122%) = 6.55()式中220發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度(kgm')60%糖酸轉(zhuǎn)化率95%谷氨酸提取率99. 8%除去倒灌率0. 2%后的發(fā)酵

14、成功率122%味精對谷氨酸的精制產(chǎn)率(2) 發(fā)酵液配制需水解糖量Gl以純糖算，GI=Vl × 220 =1441 ()(3) 二級種液量V2V2 = 8%½ =0.524 (n3)(4) 二級種子培養(yǎng)液所需水解糖量G2G2 =5OV2 =26.2()式中50二級種液含糖量(kgm')(5) 生產(chǎn)IOOOkg味精需水解糖總量G為:G = Gi+G2 =1467,2()(6) 耗用淀粉原料量理論上，Iookg淀粉轉(zhuǎn)化生成葡萄糖量為Illkg,故理論上耗用的淀粉量G it粉為:G淀粉=1467 .2÷(80%×108%×lll %)= 152

15、9,9(kg)式中80%淀粉原料含純淀粉量108%淀粉糖轉(zhuǎn)化率(7)液氨耗用量發(fā)酵過程中用液氨調(diào)PH和補充氮源，耗用260"280kg:此外，提取過程耗 用160"170kg,合計每噸味精消耗420"450kg(8) 甘蔗糖蜜耗用量二級種液耗用糖蜜量也V =20V2 =10.48()發(fā)酵培養(yǎng)基耗糖蜜量Vj1/ =4V1 =26.2()合計耗糖蜜36. 68kg(9) 氯化鉀耗量GKlGm=O.8V1=5.24()(10) 磷酸氫二鉀(K,HPOJ耗量G3G3 = IVI =0.524 (Rg)(11) 硫酸鎂(MgSOI 7H20)用量&G4=0.6(V1

16、+V2)=4.24()(12) 消泡劑(泡敵)耗用量GG5 = 1.0V1 + 0.6V2 = 6.8644 (kg)(13) 玉米漿耗用量(8gL)G6=8V2=4.19()(14) 生物素耗用量G7 =0.002 V1 +0.02嶺=0.0236(g)(15) 硫酸鐳耗用量G8 =0.002 V2 =1.048()(16) 硫酸亞鐵耗用量Q= 0.002 匕=1.048(g)(17) 磷酸耗用量GIo=O.2V1= 1.31 伙 g)(18) 谷氨酸(鉄酸)量發(fā)酵液谷氨酸含量為:Gl × 60%(l-0.2%) = 862.9()實際生產(chǎn)的谷氨酸(提取率95%)為：862.9 &

17、#215;95% = 819.8()3. 4. 130000ta味精廠發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果表2年產(chǎn)130000噸味精物料橫算表物料名稱生產(chǎn)It味精(100%)的物料量130000ta 味精生產(chǎn)的物料量每日物料量發(fā)酵液/m36. 55851. SxlO32838. 33二級種液/m30. 52468.12x103227. 07發(fā)酵水解用糖kg1441187.33×1O6624.433 × IO3二級種培養(yǎng)用糖kg26.23.406×10611.353×10水解糖總量kg1467. 2190.736×l O6635.787 ×103淀粉

18、kg1423. 13198.887×106662.957×103液氨kg42054.6 × IO6182×103糖蜜kg36. 694.768 × IO615.895x103氯化鉀kg5. 24681.2×1032.27 × IO3磷酸氫二鉀kg0. 52468.12x103227. 07硫酸鎂kg4. 24551.2x103L837×103泡敵kg6. 86892.372×1032.97×10玉米漿kg4. 19544.7 × IO31815.7生物素kg0. 0236306810.

19、 23硫酸鐳/g1.048136.24 × IO3454. 13硫酸亞鐵/g1.048136.24 × IO3454.13磷酸/g1. 31170.3 × IO3567.7谷氨酸kg849. 8106.574×106355.25x10'4味精發(fā)酵過程熱量衡算熱量衡算是根據(jù)能量守恒定律建立起來的，熱平衡方程表示如下:Qi+Qc+Qs=Qi+Qs+Qe式中，Ql帶入的熱量（J）Q：一一蒸汽熱量（J）Q3一一各種熱效應，如發(fā)酵熱，稀釋熱，溶解熱等（J）QI物料帶走熱量（J）Q3一一消耗于設備上熱量（J）Qe一一設備向外界散失熱量（J）4. 1液化工序熱

20、量衡算液化工序流程圖如圖2所示：1調(diào)漿罐2一噴射器3一維持罐4一一板式換熱器5一一糖化罐圖2液化工序流程圖4.1.1液化加熱蒸汽量加熱蒸汽消耗量（D）,可按下式計算：D= G×C×（r2-rl）÷（/-A）式中G淀粉漿量（kgh）C-淀粉漿比熱容（kJ/ （kg K）tl漿料初溫（20+273二293K）t2液化溫度（90+273二363K）I-加熱蒸汽焙,2738kJkg （0. 3Mpa,表壓）入一加熱蒸汽凝結(jié)水的焙，在363K時為377kJkg（1）淀粉漿量G：根據(jù)物料衡算，日投工業(yè)淀粉616. 67t；連續(xù)液化，616. 67/24=25. 7 （th）o

21、 加水為 1： 2.5,粉漿量為:25700×3. 5=89950 （th）(2)粉漿干物質(zhì)濃度:25700x86%89950=24.6%(3) 粉漿比熱G可按下式計算:C = C0-100IOO-X100= 1.55× 24.6% + 4.18× 75.4% = 3.53O(kg K)式中CO-淀粉質(zhì)比熱容，取1. 55kJ (kg K)X粉漿干物質(zhì)含量，24. 6%C木-水的比熱容，4. 18kJ (kg K)(4)蒸汽用量= 941489950x3.53x(90-20)2738-3774. 1.2滅酶用蒸汽量滅酶時將液化液由90C加熱至100oC,在IOOO

22、C時的為419kJkgo=136923燈/力_ 89950x3.53x(100-90)2738-419要求在20min內(nèi)使液化液山90°Cfl-至10(C,則蒸汽高峰量為:1369. 23×60÷20=4107. 69 (kgh)以上兩項合計,平均量 9414+1369.23=10783.23 (kg/h)；每日用量 10783. 23×24=258.8 (td)o高峰量:9414+4107. 69=13521.69 (kg/h)4.1.3液化冷卻水用量使用板式換熱器，將物料III IOOOC降至65°C,使用二次水，冷卻水進口溫度20

23、6;C,岀口溫度58.7oC,需要冷卻水量：VV =(89950 +10783 .23)×3.53 ×(1-65)(58.7-20)x4.18= 76935 .76kgh ,即 1846. 5tdo4. 2糖化熱量衡算由物料衡算只日需水解糖635.787 XlO咲g,折算為24%的糖液為2649td,2649÷1. 09=2430. 3m3,糖化操作周期30h,其中糖化時間25h,糖化罐500m3, 裝料400m3,則需糖化罐：蘭2丄22 = 7.6臺，取8臺。40024使用板式換熱器，使糖化液(經(jīng)滅酶后)由85°C降至60°C,用二次水冷卻，

24、冷 卻水進口溫度20oC,出口溫度45°C,平均用水量為：(89950 +10783 .23)×3.53×(85 - 60) Crs ,=850o9 KQ/h(45-20)x4.18要求在2h把400?糖液冷卻至40°C, ,峰用水量為:85069400000x1.09Zr×= 1841 OOkg / h 100733.23C225每日糖化罐同時運轉(zhuǎn)：7.6×-= 6.33 （罐） 30每投（放）料罐次：蘭蘭=6 （罐次）400每日冷卻水用量：2x184.1x6.33 = 2331/4. 3連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算4.3.1培養(yǎng)液連

25、續(xù)滅菌用蒸汽量發(fā)酵罐IOOOm3裝料系數(shù)0. 8,每罐產(chǎn)100%MSG量:1000X0. 8×8%×86%×95%×1. 22=63. 8 (t)年產(chǎn)量13萬噸商品味精，日產(chǎn)100%MSG433. 33td發(fā)酵操作時間48h （其中發(fā)酵時間38h）,需發(fā)酵罐臺數(shù):433 33 48 土二X竺= 13.58 （臺），取 14 臺。63.824每日投（放）料罐次：= 6.863.8o日運轉(zhuǎn)：13.58×-= 10.75 罐48每罐初始體積800m3,糖濃度22gdb滅菌前培養(yǎng)基含糖19%,其數(shù)量:8×=9263r19%滅菌加熱過程中用0.

26、 4Mpa蒸汽（表壓）I二2743kJkg,使用板式換熱器將物料山20C預熱至750 再加熱至120OCo冷卻水由20°C升至45°Co流程圖如下所示,1板式換熱器（冷卻段）2板式換熱器（預熱段）3連消塔4維持罐圖3應用板式換熱器滅菌流程每罐滅菌時間3h,輸料流量罟呵詼 消毒滅菌用蒸汽量（D）：308800×3.7×(120-75)2743-120×4.18= 22939 = 23r式中，3. 7為糖液的比熱容（kJ/ （kgoK）每日用蒸汽量:23×3×3=207 (td)高峰量： 23th平均量：207÷24=

27、8. 625 (th)4. 3. 2培養(yǎng)液冷卻用水量參照圖3, 120°C熱料通過與生料熱交換，降至80oC,再用水冷卻至35°C。冷卻水由20°C升45C,計算冷卻水量（W）：308800 ×3.97×(80-35)(45-20)x4.18= 645229 = 645r/全天用水量：645x3x3 = 58054. 3. 3填充發(fā)酵罐空間所需的蒸汽量因IOOOnl3發(fā)酵罐的全容積大于IOOOm3,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IOOOm3計算。填充空間需蒸汽量：D 孑VP 二200X 1.622二324. 4 （kg

28、）式中V發(fā)酵罐自由空間即全容積（m'）P 加熱蒸汽的密度（kgm3）, 0. 2Mpa表壓時為1. 6224. 3. 4發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量及冷卻用水量發(fā)酵過程熱量計算有以下兒種方法：（1）通過計算生化反應熱來訃算總發(fā)酵熱Q©Q滬生物合成熱+攪拌熱一汽化熱（2）通過燃燒熱計算Q總=工Q反呎撈燃燒+ L Q產(chǎn)詢?nèi)紵?）通過冷卻水帶走的熱量計算_ 4.18×冷卻水流量X(L-f進)&=發(fā)酵液總體積'(4) 通過發(fā)酵液的溫度升高進行訃算關閉冷卻水，觀察罐內(nèi)發(fā)酵液溫度升高，用下式計算Q = 'I%。；+GQ)上丿伽3./?)式中，G發(fā)酵液重量(kg)

29、C發(fā)酵液比熱容kJ(kg-K)tIh內(nèi)發(fā)酵液升高溫度數(shù)(K)GI設備筒體重(kg)CI設備筒體比熱容kJ(kgK)V發(fā)酵液體積m3根據(jù)部分味精工廠的實例和經(jīng)驗數(shù)，谷氨酸的發(fā)酵熱高峰值約為3.Q×1Q4 kJ/(m3h)用IOOOm3發(fā)酵罐，裝料量SOOm3,使用新鮮水，冷卻水進口溫度10°C,出口溫度 20oC,冷卻水用量(W)：3.0×104× 800SVV = 5.74× 10 kg!h = 574Z(20-10)×4.18日運轉(zhuǎn)10. 75臺，高峰用水量574×10.75 = 6170.5r/?日用水量：6170.5&

30、#215;0.8×24 = 118473.6r/d平均用水量：6170.5x0.8 = 4936.40. 8各罐發(fā)熱狀況均衡系數(shù)5水平衡計算5. 1糖化工序用水量 配料用水量：日投工業(yè)淀粉662.957t,加水比1:2.5,用水量為:662.957x2.5 = 1657.4/1/,因連續(xù)生產(chǎn)，平均水量二高峰水量=1657. 4÷24=69th液化液冷卻用水量：平均量二高峰量=77th, 1848td 糖液冷卻用水量(使用二次水)：每日用冷卻水量2331td,平均量2331÷24=97th,高峰量 184. lt/h5. 2連續(xù)滅工序用水量(1)配料用水量：糖液含糖

31、24%,加水配成19%糖液926. 3t,則每罐需加水926.3×fl- = 193,24%)每日投料按7罐計算,需水量7x193 = 135"/平均量：1351÷24=56. 3 (th),要求在O. 5h內(nèi)加入193t水，故高峰量:193x-= 386r/?0.5(2)冷卻用水量(使用二次水)：前面以計算出,高峰量645th,每日805td, 平均 5805 ÷ 24=242t/h5. 3發(fā)酵工序用水前面已計算，日用量118473. 6td,平均量4936. 4td6無菌壓縮空氣消耗量計算6.1谷氨酸發(fā)酵無空氣平衡示意圖圖4谷氨酸發(fā)酵無菌空氣示意圖6

32、. 2發(fā)酵工藝指標及基礎數(shù)據(jù)根據(jù)前面130000ta味精廠發(fā)酵工藝技術(shù)指標及物料平衡訃算結(jié)果，列出與空氣消耗有關的基本數(shù)據(jù)：每日發(fā)酵液量為2838. 33m3每日的二級種液量為227 07m3發(fā)酵時間：38h發(fā)酵周期:48h發(fā)酵罐全容積：IOOOin3發(fā)酵罐裝料系數(shù)：80%6. 3發(fā)酵過程無空氣用量計算發(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) 單罐無菌空氣耗用量查得IOOOm3規(guī)模的通氣攪拌發(fā)酵罐的通氣速率為0. 20vvn, 單罐發(fā)酵過程用氣量：

33、V = IOOOX 80% X 0.2 X 60 = 9600 F Ih 單罐年用氣量：½7=V×32×15O =54720000式中，150每年單罐發(fā)酵批次(150 = 3×24÷48)(2) 種子培養(yǎng)等其他無菌空氣耗量二級種培養(yǎng)是在種子罐中進行的，可根據(jù)接種量、通氣速率、培養(yǎng)時間等 進行計算。但通常的設汁習慣，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 項無菌空氣耗量為：V = V×20% = 1920z7單罐年用氣量:½7x = Vr×

34、8× 150 =1920×8×150 = 2764800 m' /a式中，8種子罐培養(yǎng)時間(3) 高峰無菌空氣耗量：VZmaX = 14V÷7r = 14 x 9600 + 7x1920 = 147840 "Ih(4) 車間無菌空氣年耗量：匕=14匕+7* = 14 X 54270000 ÷7× 2764800 = 7.9x10Sr/“(5) 車間無菌空氣單耗：根據(jù)設訃，實際味精年產(chǎn)量G=130000ta 故其單耗為VO=比=6077h3 /16. 4年產(chǎn)130000噸味精無菌空氣衡算表：根據(jù)上述計算結(jié)果，可得出13

35、0000ta味精廠無菌空氣用量衡算表，如下表所示:表3發(fā)酵車間無菌空氣衡算表發(fā)酵罐全容積(m3)單罐通氣量(m3h)種子罐耗氣量(m3h)100096001920高峰空氣耗量(m3h)年空氣耗量(m3h)空氣單耗(m3h)1478407.9x10'60777設備設計與選型7.1發(fā)酵罐設計7.1.1發(fā)酵罐選型與數(shù)量選用機械渦輪攪拌通風發(fā)酵罐，現(xiàn)每天生產(chǎn)100%純度的味精63. 8t,谷氨 酸的發(fā)酵周期為48h（包括發(fā)酵罐清洗、滅菌、進出物料等輔助操作時間），山前 面已計算得出所需發(fā)酵罐數(shù)14個。7.1.2發(fā)酵罐主要尺寸取高徑比H： D=2： I（Sl匕、=VH + 2 匕寸=230m3；

36、則有:= 0.785×2Z>÷-×2 = 1000解方程得:1.57ZT+026ZT = 1000H=2D=16. 4m；封頭容積:V H=72 (m3)圓柱部分容積:V 尚二866m驗算全容積V； = V,1 + 2V1,. =866 + 2 ×72 = IOlOrn 3 1000/n符合設計要求，可行。取=80%,實際裝液量為：IoooX 80% = 800F7.1.3冷卻面積計算5影響發(fā)酵罐冷卻面積的因素很多，諸如：不同的菌種系統(tǒng)、基質(zhì)濃度、材質(zhì)、 冷卻水溫、水質(zhì)、冷卻水流速等。確定發(fā)酵罐冷卻面積的方法有經(jīng)驗值計算法和 傳熱公式計算法：(I)

37、經(jīng)驗值訃算法：不同容量發(fā)酵罐的冷卻面積如下：發(fā)酵產(chǎn)品裝料體積l3冷卻面積?冷卻面積mr7發(fā)酵液體積InJ巾酵母50400.8谷氨酸40601. 5檸檬酸4016-200. 4-0. 5谷氨酸發(fā)酵罐冷卻面積取1. 5m7m3:山上知填充系數(shù)=80%,則每個IOOOm3的發(fā)酵罐換熱面積：A = V. = IOOO ×0.8×1.5 = 1200Irr(2) 傳熱公式計算法：為了保證發(fā)酵在最旺盛、微生物消耗基質(zhì)最多以及環(huán)境 溫度最高時也能冷卻下來發(fā)酵熱，必須按發(fā)酵生成熱量高峰、一年中最熱的那半 個月的氣溫下，而冷卻水可能達到的最高溫度的惡劣條件下，計算冷卻面積。對谷氨酸發(fā)酵，每I

38、n?發(fā)酵液、每Ih傳給冷卻器的最大熱量約為4. 18× 6000kJ (m3 h) ：1。采用豎式蛇管換熱器，取經(jīng)驗值K二4. 18X500 kj(m3h°C)叭平均溫差At11:t = AtI At232° 32oC20°k27oC125代入t12-5 S對公稱容量IOOO ?的發(fā)酵罐，每罐實際裝液量為800,換熱面積= 12(w2)Q _ 4.18× 6000 ×800K tm4.18×500×87.1.4攪拌器計算山于谷氨酸發(fā)酵過程有中間補料操作，對混合要求較高，因此選用六彎葉渦 輪攪拌器。該攪拌器的各部分尺

39、寸與罐徑D有一定比例關系攪拌器葉徑DI-D- 8,2 - 2.73(?)133葉寬：B = 0.2Di = 0.2 × 2.73 = 0.546 ()弧長：/ = 0.375 Dl = 0.375 X 2.73 = 1()底距：C-D-S2 - 2.73(n)盤踞：U1 = 0.75 Dr= 0.75 × 2.73 = 2.O5(m)葉弦長：L = 0.25 D1- = 0.25 X 2.73 = 0.68(/H)葉距：Y = Z) = 8.2(加)彎葉板厚： =14 (mm)取兩扌當攪拌,攪拌轉(zhuǎn)速N：可根據(jù)50?罐，攪拌直徑1.05b轉(zhuǎn)速Ni=IIOrmio 以等P。/V

40、為基準匕：放大求得：高徑比2： 1半徑82m換熱面積1200m2TV2=TV= 110×1.0573= 58(rmin)式中Po不通風時攪拌軸功率(kW),£2 =13662=18659567.1.5攪拌軸功率的計算淀粉水解糖液低濃度細菌醪，可視為牛頓流體。 計算Ren：3：60P醪液密度，P =1050 kgm3醪液粘度,=1.3×10'3N sm2式中D攪拌器直徑，D二273mCQN攪拌器轉(zhuǎn)速，N = - = 0.97(s)將數(shù)代入上式:視為湍流，則攪拌功率準數(shù)XpM. 7 計算不通氣時的攪拌軸功率Po:PO=NPN3 D5 P式中NP在湍流攪拌狀態(tài)時

41、其值為常數(shù)4. 7N攪拌轉(zhuǎn)速，N=58rInin=O- 97rs D攪拌器直徑，D二2. 73mP一一醪液密度，P =1050kgm3代入上式:R； = 4.7 ×0.973× 2.735 × 1050 = 683 × IO3VV = 683RW兩擋攪拌:4 = 2死=1366 RW 計算通風時的軸功率PgPR =2.25 ×10"3 XPjND'UVV)N軸轉(zhuǎn)速，N=58rIninD攪拌器直徑(cm), D 733×106=20. 35× IO6Q通風量(mlmin),設通風比Wm=O. 11、0. 18

42、,取低限，如通風量變大，Pg會小，為安全?，F(xiàn)取0. 11：則 Q=800×0. ll×106=8. 8×107 (mlmin)Qoo8 =(2.73 XlOv(Wi =4代入上式：ns-31865956×58×20.35×106 Xy) “/皿八P =2.25×10 X =1262(kW)I°丿 求電機功率P電：PR =一 ×1.01Zw73采用三角帶傳動IlLo92；滾動軸承IlPO99,滑動軸承rs=O. 98；端面密封增加功率為1%叫 代入公式數(shù)值得:0.92×0.99x(×LO

43、I = I428(W)7. 2設備結(jié)構(gòu)的工藝計算空氣分布器：對通風量較?。≦二0.020.5mLs）的設備，應加環(huán)型或直管 型空氣分布器；而對通氣量大的發(fā)酵罐，則使用單管通風，山于進風速度高，乂 有渦輪板阻擋，葉輪打碎、洛氧是沒有問題的。本罐采用單管進風，風管直徑"325×Smmc 擋板：擋板的作用是加強攪拌速度，促進液體上下翻動和控制流型，防止 產(chǎn)生渦旋而降低混合與溶氧效果。如罐內(nèi)有相當于擋板作用的豎式冷卻蛇管，扶 梯等也可不設擋板。為減少泡潔，可將擋板上沿略低于正常液面，利用攪拌在液 面上形成的渦旋消泡。本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設擋板 密封方式：本罐采用雙面機械

44、密封方式，處理軸與罐的動靜問題。 冷卻管布置：小罐多使用夾套冷卻裝置，大罐冷卻中，蛇管因易沉積污垢 且不易清洗而不采用；列管式冷卻裝置雖然冷卻效果好，但耗水量過多；因此本 罐采用豎式蛇管冷卻裝置:門為了保證發(fā)酵罐的冷卻，單是訃算出冷卻面積是不夠的，還要有足夠的管道截面積，以供足夠的冷卻水通過。管道截面太大，管徑太粗不易彎制，冷卻水沒有充分利用；太細則冷卻水流經(jīng)管路一半不到，水溫已與料溫相等。1最高負荷下的耗水量恥W = 嚴C P (f2 -G)式中 Q總一每Im'醪液在發(fā)酵最旺盛時，Ih的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積QiI=4.18× 6000 ×800 =2×

45、;1O7(V)CP冷卻水的比熱容，4. 18kJ (kgK)t2冷卻水終溫，t2=27Ct1一一冷卻水初溫，t1=20C將各值代入上式W=6.8x105()=189(5)4.18×(27 - 20)v 7冷卻水體積流量為0. 189m7s,取冷卻水在豎直蛇管中的流速為lms,根據(jù) 流體力學方程式，冷卻管總截面積Sg為：S總=歷式中W冷卻水體積流量，W=0. 189m7sV冷卻水流速，V=Iin/s代入上式：進水總管直徑:0.189= 0.189(m2)0.1890.7850.785=0.5 (m)II冷卻管組數(shù)和管徑：設冷卻管總表面積為SS管徑d”組數(shù)為m則:取n二16,求管徑。由上

46、式得:()=0.785I1 0.189V 16 × 0.785= 0.123(加)查金屬材料表選取 133 × 4無縫管叭d內(nèi)=125"，g=12. 72kgm,內(nèi)o ,認為可滿足要求，平均=129mm?，F(xiàn)取豎蛇管圈端部U型彎管曲徑為300,則兩直管距離為60Omm,兩端彎 管總長度為o = 34 X 600 = 1884 (Inm)IH冷卻管總長度L計算：由前知冷卻管總面積F = 12002現(xiàn)取無縫鋼管133× 4,每米長冷卻面積為=3.14×0.129 ×1 = 0.4(m2)貝J:L = = 3000 (”?)%0.4冷卻管占有

47、體積：V =0.785 ×0.1332 ×30 =41.660?F)IV每組管長L。和管組高度：Zl)=Z = I 87.5(,«)H 16列需連接管8m：Q =厶 + 8 = 187.5 + 8 = 195 .5(W)可排豎式直蛇管的高度，設為靜液面高度，下部可伸入封頭50OmnlO設發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為2. Om3,貝9：總占有體積為Vd =Vjf+V-i.+½r.t. = 800+41.66+2.0=843.66(m3)則筒體部分液深為：UL=843.66-72 十62伽)S 0.785×8.227豎式蛇管總高H . =14.62 +1

48、.0 = 15.62 (m)；取管間距為0.5m。乂兩端彎管總長/(= 1884/WH ,兩端彎管總高為1. 384m,則一圈管長為：I = 2H +0=2×15.62 + 1.884 = 33.124 (IrI)V每組管子圈數(shù)WH = = JlLl = 5.66 (圈)；取 6 圈。I 33.124L» = 33.124 ×6×16 + (8×16) = 3308m現(xiàn)取管間距為2.5D外=2.5x0.133 =0.3325(?)，豎蛇管與罐壁的最小距離為0. Iom,則最內(nèi)層豎蛇管與罐壁的最小距離：0.3325×5+0.15+0.0

49、65 = 1.8775 與攪拌器的距離：8.2-2.73-1.8775 = 3.6w,在允許范圍內(nèi)(不小于20OnInI)OVI.校核布置后冷卻管的實際傳熱面積： =如V均 =3.14×0.129×33O8=134O>12O(w2)而前有F=1200m3, F. > F ,可滿足要求。7. 3設備材料的選擇谷氨酸發(fā)酵時用碳鋼制作發(fā)酵設備，精制時用除鐵樹脂除去鐵離子。如企業(yè)實力雄厚，也可以用不銹鋼制作發(fā)酵設備。選用腺鋼制作，以降低設備費用。7. 4發(fā)酵離壁厚的計算計算法確定發(fā)酵罐的壁厚SS=2P + c (Cm)式中P設計壓力，取最高工作壓力的1.05倍，現(xiàn)取P二

50、0.4MPdD發(fā)酵罐內(nèi)經(jīng)，D=820cm(O ) A3鋼的應用應力，(O ) =127MPa焊接縫隙，=0. 7C壁厚附加量(Cin)C = Cl + Cl +式中CI鋼板負偏差，現(xiàn)取C1=O. SmmC2為腐蝕余量，現(xiàn)取CHmmC3加工減薄量，現(xiàn)取Cs=OC = 0.8 + 2 + 0 = 2.8(/WH) = 0.28 (tv?)0,4x8202×127×0.7-0.4+ 0.28 = 2.13(CM)選用22mn?：厚腺鋼板制作。封頭壁厚訃算：標準橢圓封頭的厚度計算公式加如下：S =C (Cm)2p - P式中 P=O. IMPaD=820cm(O ) =127MPa

51、C=O. 08+0. 2+0. 1=0. 38 (Cm)=0. 70.4×820 n c S =+ 0.38 = 2.23(Cm)2×127×0.7-0.4選用25mn?：厚As鋼板制作。7. 5接管設計 接管的長度h設計：各接管的長度h根據(jù)直徑大小和有無保溫層，一般取Ioo'20Ommo 接管直徑的確定：按排料管(也是通風管)計算：該罐實裝醪量SOOm3,設4h之內(nèi)排空，則物 料體積流量Q = = 0.056(/?r' / s)3600×4V >發(fā)酵醪流速取V=Im/s;則排料管截面積為F機你=纟=氣件DOS如2)坷=0.785/

52、管徑:I y =II 0.785S=O-267W取無縫管325×8, 309) 267mm,認為合適。按通風管計算，壓縮空氣在0.4MPa下，支管氣速為2(25ms°現(xiàn)通風比0. . 18VVn1,為常溫下20oC, 0. IMPa下的情況,要折算0. 4MP&、30°C狀態(tài)。 風量 QI取大值,Qi =800 x 0.18 = 144防/nin )= 2.4(m3/s)。利用氣態(tài)方程式計算工作狀態(tài)下的風量Q嚴Qf =2.4×0.1273 + 30X0.4 273+20= 0.62(nrs)取風速v=25ms,則風管截面積F三為Fz4=o-()F

53、f = 0.785盃C則氣管直徑d氣為:因通風管也是排料管，故取兩者的大值。取 325 ×8mm無縫管，可滿足工 藝要求。排料時間復核：物料流量Q=O. 056m7s,流速V=Ini/s；管道截面積：F = 0.785 × 0.3092 = 0.075 (n2),在相同的流速下，流過物料因管徑較原來計算結(jié)果大，則相應流速比為 p _ Q _ 0.056 _ 0 747（倍）FV 0.075x1排料時間：r = 2x0.747 =1.494(/7)7. 6支座選擇對于IoOm3以上的發(fā)酵罐，由于設備總質(zhì)量較大，應選用裙式支座。本設計選用裙式支座。7. 7種子罐發(fā)酵所需的種子從

54、試管斜面出發(fā)，經(jīng)活化培養(yǎng)，搖瓶培養(yǎng)，擴大至一級乃至 二級種子罐培養(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。7. 7. 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%計算，則種子罐容積V肌為：vl,2 = Vtl ×8% = IoOO ×8% = 8（m3）式中 V發(fā)酵罐總?cè)莘e（m'）種子罐個數(shù)的確定：種子罐與發(fā)酵罐對應上料。發(fā)酵罐平均每天上7罐，需 種子罐7個。種子罐培養(yǎng)8h,輔助操作時間810h,生產(chǎn)周期1618h, 一般的 廠是1個種子罐對一個發(fā)酵罐，因此，種子罐數(shù)確定為7個。7. 7. 2主要尺寸的確定種子罐仍采用兒何

55、相似的機械攪拌通風發(fā)酵罐。取H： D二2： 1,則種子罐總?cè)莘e量V'©為：U總=唏+2%簡化方程如下：V； =2×-D3+ 0.785, ×2D = 8(zt3)整理后1.57D3÷0.26Z)3=80解方程得D-3. 52m則H=2D=2×3. 52=7. 04 (m)查得封頭高H=H 封=850 + 50 = 900 伽?)罐體總咼H' «：Hb =2H,lt +7,. =2 x 900 + 7000 = 8800(M)二8. Sm單個封頭容量：V'滬5. 71 (m3)圓筒容量：Vn = 0.785 D2 × 2D = 68.5(m3)不計上封頭容積：Vf=V +V筒=5.71 + 68.5 = 74.21(R)校核種子罐總?cè)莘eV'總：V, = 2V1' +V； =2× 5.71+68.5 = 79 .92(w3)兒乎與需要的種子罐容積8O相等，可滿足設計要求。7. 7. 3冷卻面積的計算采用夾套冷卻(1) 發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量：QV=4.18×60 ×800&