味精工廠發(fā)酵車(chē)間設(shè)計(jì)

1、 生物工程工廠設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目 130000t/a味精工廠發(fā)酵車(chē)間設(shè)計(jì)系 別： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： （課程設(shè)計(jì)時(shí)間：2012年6月4日2012年6月24日）XXXXX學(xué)校 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)13萬(wàn)噸味精廠的生產(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(lái)選擇發(fā)酵工段合適

2、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(huà)出發(fā)酵工段的工藝流程圖和平面布置圖。 Abstract Course design is very important links to common college 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 Fa

3、ctory's workshop design, through the two enzymes method of fermentation and sugar glutamic acid a second-class electric point extraction technology production glutamic acid sodium. In this paper, it briefly introduced the monosodium glutamate fermentation production process and the main equipmen

4、t . In order to help us to understand the fermentation process and the main equipment ventilation of relevant knowledge.The content of design conclude understanding the monosodium glutamate production material pretreatment, fermentation, the methods of extracting production and production process. T

5、o select suitable fermentation production process and conduct the material balance, heat balance calculations and equipment choice according to actual condition.目 錄1 課程設(shè)計(jì)目的12 課程設(shè)計(jì)題目描述和要求22.1 設(shè)計(jì)題目描述22.2設(shè)計(jì)內(nèi)容22.3 設(shè)計(jì)要求23 130000t/a味精工廠發(fā)酵車(chē)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(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)43.3谷氨酸發(fā)酵車(chē)間的物料衡算53.4 130000t/

6、a味精廠發(fā)酵車(chē)間的物料衡算結(jié)果74 味精發(fā)酵過(guò)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(guò)程產(chǎn)生的熱量及冷卻用水量115 水平衡計(jì)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(wú)菌壓縮空氣消耗量計(jì)算146.1 谷氨酸發(fā)酵無(wú)菌空氣平衡示意圖146.2 發(fā)酵工藝指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)146.3 發(fā)酵過(guò)程無(wú)菌空氣用量計(jì)算146.4

7、 年產(chǎn)130000噸味精無(wú)菌空氣衡算表：157 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型167.1 發(fā)酵罐設(shè)計(jì)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(jì)算167.1.4 攪拌器計(jì)算187.1.5 攪拌軸功率的計(jì)算197.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝計(jì)算207.3 設(shè)備材料的選擇6237.4 發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算237.5 接管設(shè)計(jì)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(jì)算277.7.4設(shè)備材料的選擇及設(shè)備工藝278 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總及主要符號(hào)說(shuō)明32附錄一 130000t/a味精廠發(fā)酵車(chē)間的物料衡

8、算結(jié)果32附錄二 熱量衡算33附錄三 發(fā)酵過(guò)程無(wú)菌空氣用量34附錄四 設(shè)備參數(shù)349 總結(jié)36參考文獻(xiàn)361 課程設(shè)計(jì)目的生物工程設(shè)備課程的課堂教學(xué)和課程設(shè)計(jì)形成一個(gè)典型的綜合性教學(xué)環(huán)節(jié),課程設(shè)計(jì)是課堂課程教學(xué)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，這種教學(xué)安排對(duì)本課程的學(xué)習(xí)具有是十分重要意義，主要表現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：（1）本課程設(shè)計(jì)旨在讓學(xué)生綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)及其有關(guān)先修課程，如機(jī)械制圖、測(cè)量與公差配合、金屬材料與熱處理、工程力學(xué)等的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)進(jìn)行機(jī)械訓(xùn)練，使理論和實(shí)際結(jié)合起來(lái)。針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題和困惑更深的鞏固我們課堂所學(xué)基本原理和理論，實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)到面的廣泛學(xué)習(xí)，再?gòu)拿娴近c(diǎn)的總結(jié)歸納，使我們能更好地掌

9、握生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)的基本原則、基本程序和基本方法。（2）生工設(shè)備課程設(shè)計(jì)是以實(shí)際訓(xùn)練為主的課程，學(xué)生應(yīng)在過(guò)程中收集設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在教師指導(dǎo)下完成一定的設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)，以達(dá)到培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力的目的，學(xué)習(xí)和掌握機(jī)械設(shè)計(jì)到的一般步驟和方法，培養(yǎng)設(shè)計(jì)能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，也為畢業(yè)設(shè)計(jì)乃至承擔(dān)工業(yè)生產(chǎn)全程設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。（3）要樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想和求是精神，本著嚴(yán)謹(jǐn)、負(fù)責(zé)、協(xié)調(diào)、創(chuàng)新的工作作風(fēng)，進(jìn)行基本技能的訓(xùn)練，對(duì)準(zhǔn)確地工程計(jì)算、制圖、查閱資料（如手冊(cè)、圖冊(cè)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等）、搜集數(shù)據(jù)以及進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算等機(jī)械方面的基本技能得到一次綜合訓(xùn)練，提高技能水平，并能用簡(jiǎn)潔的文字、清晰的圖表來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，培養(yǎng)綜合應(yīng)

10、用知識(shí)能力、全面思考問(wèn)題和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。2 課程設(shè)計(jì)題目描述和要求2.1 設(shè)計(jì)題目描述設(shè)計(jì)一個(gè)年產(chǎn)130000噸的味精發(fā)酵車(chē)間。已知條件為A 采用中糖發(fā)酵，等電點(diǎn)離子交換提取的生產(chǎn)方法；B 選用A3鋼板，材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力;C 鋼板厚度負(fù)偏差D使用含淀粉86%的工業(yè)淀粉原料；試確定該發(fā)酵車(chē)間的各設(shè)備及其布置情況。2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)所給的設(shè)計(jì)題目完成以下內(nèi)容：(1)設(shè)計(jì)方案確定； (2)相關(guān)衡算； (3)主要設(shè)備工藝計(jì)算； (4)主要工藝流程設(shè)計(jì)；(5)輔助（或周邊）設(shè)備的計(jì)算或選擇；(6)制圖（包括帶節(jié)點(diǎn)控制的工藝流程圖和發(fā)酵車(chē)間的設(shè)備平面布置圖）、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及其它。2.3 設(shè)計(jì)要

11、求設(shè)計(jì)時(shí)間為兩周。設(shè)計(jì)成果要求如下：1. 完成設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)的收集與整理2. 完成發(fā)酵車(chē)間中各設(shè)備的各種計(jì)算3. 完成相關(guān)設(shè)施的設(shè)計(jì)計(jì)算4. 完成谷氨酸發(fā)酵流程圖，完成車(chē)間設(shè)備布置平面圖5. 完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)或計(jì)算書(shū)（手書(shū)或電子版打印均可）3 130000t/a味精工廠發(fā)酵車(chē)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(diǎn)-離子交換提取的工藝。其工藝流程示意圖見(jiàn)圖1?？諝饩N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(guò)濾氣液分離種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)過(guò)濾淀粉水解糖過(guò)濾除菌脫色濃縮結(jié)晶離心等電點(diǎn)調(diào)節(jié)過(guò)濾干燥大結(jié)晶干燥小結(jié)晶

12、 拌鹽粉碎成品味精粉狀味精母液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溶解 圖1 味精生產(chǎn)總工藝流程圖3.2工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（1）味精行業(yè)國(guó)家企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1，選用主要指標(biāo)如表1表1 味精發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱(chēng)單位指標(biāo)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(diǎn)-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Kg/m3150淀粉糖轉(zhuǎn)化率%108流加高濃糖%500糖酸轉(zhuǎn)化率%60麩酸谷氨酸含量%95谷氨酸提取率%95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86%，含水

13、14%（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，硫酸亞鐵2mg/L，硫酸錳2mg/L。 （4）發(fā)酵初始培養(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，生物素2g，泡敵1.0，接種量為8%。3.3谷氨酸發(fā)酵車(chē)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V1 式中 220發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度（kg/m3） 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)酵成功率 122%味精對(duì)谷氨酸的精制產(chǎn)率（2）

14、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%淀粉原料含純淀粉量 108%淀粉糖轉(zhuǎn)化率（7）液氨耗用量 發(fā)酵過(guò)程中用液氨調(diào)PH和補(bǔ)充氮源，耗用260280kg；此外，提取過(guò)程耗用160170kg，合計(jì)每噸味精消耗420450kg（8）甘蔗糖蜜耗用量 二級(jí)種液耗用糖蜜量V3發(fā)酵培養(yǎng)基耗糖蜜量V4合計(jì)耗糖蜜36.68kg（9）氯化鉀耗量GKCl

15、（10）磷酸氫二鉀（K2HPO4）耗量G3 （11）硫酸鎂（MgSO4·7H2O）用量G4 （12）消泡劑（泡敵）耗用量G5 （13） 玉米漿耗用量（8g/L） （14）生物素耗用量 （15）硫酸錳耗用量 （16）硫酸亞鐵耗用量 （17）磷酸耗用量 （18）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95%）為：3.4.130000t/a味精廠發(fā)酵車(chē)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(chēng)生產(chǎn)1t味精（100%）的物料量130000t/a味精生產(chǎn)的物料量每日物料量發(fā)酵液/m36.55851.52838.33二級(jí)種液/m30.524227.07

16、發(fā)酵水解用糖/kg1441二級(jí)種培養(yǎng)用糖/kg26.2水解糖總量/kg1467.2淀粉/kg1423.13液氨/kg420糖蜜/kg36.69氯化鉀/kg5.24磷酸氫二鉀/kg0.524227.07硫酸鎂/kg4.24泡敵/kg6.86玉米漿/kg4.191815.7生物素/kg0.023610.23硫酸錳/g1.048454.13硫酸亞鐵/g1.048454.13磷酸/g1.31567.7谷氨酸/kg849.84 味精發(fā)酵過(guò)程熱量衡算 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：          

17、;  Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6式中，Q1帶入的熱量（J） Q2蒸汽熱量（J） Q3各種熱效應(yīng)，如發(fā)酵熱，稀釋熱，溶解熱等（J） Q4物料帶走熱量（J） Q5消耗于設(shè)備上熱量（J） Q6設(shè)備向外界散失熱量（J）4.1液化工序熱量衡算液化工序流程圖如圖2所示：1調(diào)漿罐 2噴射器 3維持罐 4板式換熱器 5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(jì)算： D= 式中 G-淀粉漿量（kg/h）      C-淀粉漿比熱容（kJ/（kg·K）      t

18、1-漿料初溫（20+273=293K）      t2-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（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（t/h）。加水為1：2.5，粉漿量為：25700×3.5=89950（t/h）。（2）粉漿干物質(zhì)濃度：（3）粉漿比熱C，可按下式計(jì)算： 

19、            式中  C0-淀粉質(zhì)比熱容，取1.55kJ/（kg·K）       X-粉漿干物質(zhì)含量，24.6%       C水-水的比熱容，4.18kJ/（kg·K）    （4）蒸汽用量        4.1.2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。 

20、;        要求在20min內(nèi)使液化液由90升至100，則蒸汽高峰量為：             1369.23×60÷20=4107.69（kg/h）  以上兩項(xiàng)合計(jì)，平均量9414+1369.23=10783.23（kg/h）； 每日用量10783.23×24=258.8（t/d）。   高峰量：9414+4107.69=13521.69（kg/h）4.1.3液化冷卻水用量 使

21、用板式換熱器，將物料由100降至65，使用二次水，冷卻水進(jìn)口溫度20，出口溫度58.7，需要冷卻水量： ，即1846.5t/d。4.2糖化熱量衡算 由物料衡算只日需水解糖，折算為24%的糖液為2649t/d，2649÷1.09=2430.3m3，糖化操作周期30h，其中糖化時(shí)間25h，糖化罐500m3，裝料400m3，則需糖化罐： 臺(tái)，取8臺(tái)。使用板式換熱器，使糖化液（經(jīng)滅酶后）由85降至60，用二次水冷卻，冷卻水進(jìn)口溫度20，出口溫度45，平均用水量為： 要求在2h把400m3糖液冷卻至40，高峰用水量為： 每日糖化罐同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)：（罐）每投（放）料罐次：（罐次）每日冷卻水用量：4.3

22、連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算4.3.1培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量 發(fā)酵罐1000m3裝料系數(shù)0.8，每罐產(chǎn)100%MSG量：     1000×0.8×8%×86%×95%×1.22=63.8（t）年產(chǎn)量13萬(wàn)噸商品味精，日產(chǎn)100%MSG433.33t/d發(fā)酵操作時(shí)間48h（其中發(fā)酵時(shí)間38h），需發(fā)酵罐臺(tái)數(shù)： （臺(tái)），取14臺(tái)。每日投（放）料罐次：日運(yùn)轉(zhuǎn)：罐每罐初始體積800m3，糖濃度22g/dl，滅菌前培養(yǎng)基含糖19%，其數(shù)量： 滅菌加熱過(guò)程中用0.4Mpa蒸汽（表壓）I=2743kJ/kg，使用板式換

23、熱器將物料由20預(yù)熱至75，再加熱至120。冷卻水由20升至45。流程圖如下所示，1板式換熱器（冷卻段） 2板式換熱器（預(yù)熱段） 3連消塔 4維持罐 圖3 應(yīng)用板式換熱器滅菌流程每罐滅菌時(shí)間3h，輸料流量消毒滅菌用蒸汽量（D）：   式中， 3.7為糖液的比熱容（kJ/（kgoK）每日用蒸汽量：             23×3×3=207（t/d）高峰量：  23t/h平均量： 207÷24=8.625（t/h）4.3.2培養(yǎng)液冷卻用水量 參照

24、圖3,120熱料通過(guò)與生料熱交換，降至80，再用水冷卻至35。冷卻水由20升至45，計(jì)算冷卻水量（W）： 全天用水量：4.3.3填充發(fā)酵罐空間所需的蒸汽量因1000m3發(fā)酵罐的全容積大于1000m3，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1000m3計(jì)算。填充空間需蒸汽量： D空=V=200×1.622=324.4（kg）式中  V-發(fā)酵罐自由空間即全容積（m3）-加熱蒸汽的密度（kg/m3），0.2Mpa表壓時(shí)為1.6224.3.4發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的熱量及冷卻用水量發(fā)酵過(guò)程熱量計(jì)算有以下幾種方法：（1） 通過(guò)計(jì)算生化反應(yīng)熱來(lái)計(jì)算總發(fā)酵熱Q總 Q總=生

25、物合成熱+攪拌熱汽化熱（2） 通過(guò)燃燒熱計(jì)算 Q總=Q反應(yīng)物燃燒+Q產(chǎn)物燃燒（3） 通過(guò)冷卻水帶走的熱量計(jì)算 （4） 通過(guò)發(fā)酵液的溫度升高進(jìn)行計(jì)算 關(guān)閉冷卻水，觀察罐內(nèi)發(fā)酵液溫度升高，用下式計(jì)算 式中， G發(fā)酵液重量（kg） C發(fā)酵液比熱容 t1h內(nèi)發(fā)酵液升高溫度數(shù)（K） G1設(shè)備筒體重(kg) C1設(shè)備筒體比熱容 V發(fā)酵液體積m3 根據(jù)部分味精工廠的實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)數(shù)，谷氨酸的發(fā)酵熱高峰值約為用1000m3發(fā)酵罐，裝料量800m3，使用新鮮水，冷卻水進(jìn)口溫度10，出口溫度20，冷卻水用量（W）： 日運(yùn)轉(zhuǎn)10.75臺(tái)，高峰用水量日用水量：平均用水量： 0.8各罐發(fā)熱狀況均衡系數(shù) 5 水平衡計(jì)算5.1

26、糖化工序用水量1 配料用水量：日投工業(yè)淀粉662.957t，加水比1:2.5，用水量為： ，因連續(xù)生產(chǎn)，平均水量=高峰水量=1657.4÷24=69t/h2 液化液冷卻用水量：平均量=高峰量=77t/h，1848t/d3 糖液冷卻用水量（使用二次水）：每日用冷卻水量2331t/d，平均量2331÷24=97t/h，高峰量184.1t/h5.2連續(xù)滅菌工序用水量（1） 配料用水量：糖液含糖24%，加水配成19%糖液926.3t，則每罐需加水 ，每日投料按7罐計(jì)算，需水量平均量：1351÷24=56.3（t/h），要求在0.5h內(nèi)加入193t水，故高峰量： （2） 冷

27、卻用水量（使用二次水）：前面以計(jì)算出，高峰量645t/h，每日5805t/d，平均5805÷24=242t/h5.3發(fā)酵工序用水前面已計(jì)算，日用量118473.6t/d，平均量4936.4t/d6無(wú)菌壓縮空氣消耗量計(jì)算6.1 谷氨酸發(fā)酵無(wú)菌空氣平衡示意圖 圖4 谷氨酸發(fā)酵無(wú)菌空氣示意圖6.2 發(fā)酵工藝指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)根據(jù)前面130000t/a味精廠發(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)： 每日發(fā)酵液量為2838.33m3 每日的二級(jí)種液量為227.07m3 發(fā)酵時(shí)間：38h 發(fā)酵周期：48h 發(fā)酵罐全容積：1000m3 發(fā)酵罐裝料系數(shù)：80%6.3 發(fā)酵過(guò)程無(wú)

28、菌空氣用量計(jì)算 發(fā)酵車(chē)間無(wú)菌空氣消耗量主要用于谷氨酸發(fā)酵過(guò)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(wú)菌空氣的耗用量。（1）單罐無(wú)菌空氣耗用量查得1000m3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(guò)程用氣量：?jiǎn)喂弈暧脷饬浚?式中，150每年單罐發(fā)酵批次（）（2）種子培養(yǎng)等其他無(wú)菌空氣耗量 二級(jí)種培養(yǎng)是在種子罐中進(jìn)行的，可根據(jù)接種量、通氣速率、培養(yǎng)時(shí)間等進(jìn)行計(jì)算。但通常的設(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(wú)菌空氣消耗量之和約等于發(fā)酵過(guò)程空氣耗量的20%。故這項(xiàng)無(wú)菌空

29、氣耗量為： 單罐年用氣量： 式中，8種子罐培養(yǎng)時(shí)間（3）高峰無(wú)菌空氣耗量： （4）車(chē)間無(wú)菌空氣年耗量： （5） 車(chē)間無(wú)菌空氣單耗： 根據(jù)設(shè)計(jì)，實(shí)際味精年產(chǎn)量G=130000t/a 故其單耗為6.4 年產(chǎn)130000噸味精無(wú)菌空氣衡算表：根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可得出130000t/a味精廠無(wú)菌空氣用量衡算表，如下表所示： 表3 發(fā)酵車(chē)間無(wú)菌空氣衡算表發(fā)酵罐全容積（m3）單罐通氣量（m3/h）種子罐耗氣量（m3/h）高峰空氣耗量（m3/h）年空氣耗量（m3/h）空氣單耗（m3/h）10009600192014784060777 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型7.1 發(fā)酵罐設(shè)計(jì)7.1.1 發(fā)酵罐選型與數(shù)量 選用機(jī)械渦輪

30、攪拌通風(fēng)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(jìn)出物料等輔助操作時(shí)間)，由前面已計(jì)算得出所需發(fā)酵罐數(shù)14個(gè)。7.1.2 發(fā)酵罐主要尺寸 取高徑比 H：D=2：12 則有：H=2D；解方程得： H=2D=16.4m；封頭容積 ：V封=72（m3）圓柱部分容積：V筒=866m3驗(yàn)算全容積V全：符合設(shè)計(jì)要求，可行。取=80%，實(shí)際裝液量為：7.1.3 冷卻面積計(jì)算影響發(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(yàn)值計(jì)算法和傳熱公式計(jì)算法：（1） 經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算法：不同容

31、量發(fā)酵罐的冷卻面積如下： 發(fā)酵產(chǎn)品 裝料體積/m3 冷卻面積/m3 冷卻面積m2/發(fā)酵液體積m3= 酵母 50 40 0.8 谷氨酸 40 60 1.5 檸檬酸 40 16-20 0.4-0.5 谷氨酸發(fā)酵罐冷卻面積取1.5m2/m3；由上知填充系數(shù)=80%，則每個(gè)1000m3的發(fā)酵罐換熱面積： （2） 傳熱公式計(jì)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(shí)也能冷卻下來(lái)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(gè)月的氣溫下，而冷卻水可能達(dá)到的最高溫度的惡劣條件下，計(jì)算冷卻面積。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

32、/(m3·h) 1。采用豎式蛇管換熱器，取經(jīng)驗(yàn)值K=4.18×500 kJ/(m3·h·) 3。平均溫差tm： 32 3220 2712 5代入 對(duì)公稱(chēng)容量1000 m3的發(fā)酵罐，每罐實(shí)際裝液量為800m3，換熱面積 7.1.4 攪拌器計(jì)算 由于谷氨酸發(fā)酵過(guò)程有中間補(bǔ)料操作，對(duì)混合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪拌器2。 該攪拌器的各部分尺寸與罐徑D有一定比例關(guān)系攪拌器葉徑葉寬 ：弧長(zhǎng)：底距：盤(pán)踞 ：葉弦長(zhǎng)：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)2放大求得

33、：高徑比2：1半徑8.2m換熱面積1200m27.1.5 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Rem3 式中 D攪拌器直徑，D=2.73m 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=58r/min=0.97r/s D攪拌器直徑，D=2.73m 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

34、軸轉(zhuǎn)速，N=58r/min D攪拌器直徑（cm），D3=2.733×106=20.35×106 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=800×0.11×106=8.8×107（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%4；代入公式數(shù)值得： 7.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝計(jì)算 空氣分布器：對(duì)通風(fēng)量較?。≦=0.020.5mL/s）的設(shè)備，應(yīng)加環(huán)型或直管型空氣分布器；而對(duì)通氣量大的發(fā)

35、酵罐，則使用單管通風(fēng)，由于進(jìn)風(fēng)速度高，又有渦輪板阻擋，葉輪打碎、溶氧是沒(méi)有問(wèn)題的。本罐采用單管進(jìn)風(fēng)，風(fēng)管直徑325×8mm。 擋板：擋板的作用是加強(qiáng)攪拌速度，促進(jìn)液體上下翻動(dòng)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(dāng)于擋板作用的豎式冷卻蛇管，扶梯等也可不設(shè)擋板。為減少泡沫，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(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：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(guò)多；因此本罐采用豎

36、式蛇管冷卻裝置4 為了保證發(fā)酵罐的冷卻，單是計(jì)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(guò)。管道截面太大，管徑太粗不易彎制，冷卻水沒(méi)有充分利用；太細(xì)則冷卻水流經(jīng)管路一半不到，水溫已與料溫相等。 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0.189m3/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=0.189m3/s

37、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=16，求管徑。由上式得：查金屬材料表選取133×4mm無(wú)縫管5， ，g=12.72kg/m，認(rèn)為可滿足要求，?，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133×4mm，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500mm。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為2.0m3，則：總占有體

38、積為則筒體部分液深為：豎式蛇管總高 ；取管間距為0.5m。又兩端彎管總長(zhǎng)，兩端彎管總高為1.384m，則一圈管長(zhǎng)為： 每組管子圈數(shù)n0：（圈）；取6圈?，F(xiàn)取管間距為，豎蛇管與罐壁的最小距離為0.15m，則最內(nèi)層豎蛇管與罐壁的最小距離：與攪拌器的距離：，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=1200m2，可滿足要求。7.3 設(shè)備材料的選擇6谷氨酸發(fā)酵時(shí)用碳鋼制作發(fā)酵設(shè)備，精制時(shí)用除鐵樹(shù)脂除去鐵離子。如企業(yè)實(shí)力雄厚，也可以用不銹鋼制作發(fā)酵設(shè)備。選用A3鋼制作，以降低設(shè)備費(fèi)用。7.4 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

39、作壓力的1.05倍，現(xiàn)取P=0.4MPa D發(fā)酵罐內(nèi)經(jīng)，D=820cm 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22mm5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1如下： （cm）式中 P=0.4MPa D=820cm=127MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）=0.7選用25mm5厚A3鋼板制作。7.5 接管設(shè)計(jì)接管的長(zhǎng)度h設(shè)計(jì)：各接管的長(zhǎng)度h根據(jù)直徑大小和有無(wú)保溫層，一般取100200mm。接管直徑的確定：按排料管

40、（也是通風(fēng)管）計(jì)算：該罐實(shí)裝醪量800m3，設(shè)4h之內(nèi)排空，則物料體積流量發(fā)酵醪流速取v=1m/s;則排料管截面積為F物。管徑：取無(wú)縫管325×8mm，309mm267mm，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0.10.18vvm，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Qf3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(wú)縫管，可滿足工藝要求。排料時(shí)間復(fù)核：物料流量Q=0.056m3

41、/s，流速v=1m/s；管道截面積：，在相同的流速下，流過(guò)物料因管徑較原來(lái)計(jì)算結(jié)果大，則相應(yīng)流速比為排料時(shí)間：7.6 支座選擇 對(duì)于100m3以上的發(fā)酵罐，由于設(shè)備總質(zhì)量較大，應(yīng)選用裙式支座。本設(shè)計(jì)選用裙式支座。7.7 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。 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(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） 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7罐，需種子罐7個(gè)。種子罐培養(yǎng)8h，輔

42、助操作時(shí)間810h，生產(chǎn)周期1618h，一般的廠是1個(gè)種子罐對(duì)一個(gè)發(fā)酵罐，因此，種子罐數(shù)確定為7個(gè)。7.7.2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。 取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=3.52m則H=2D=2×3.52=7.04（m）查得封頭高H'封 罐體總高H'罐：=8.8m單個(gè)封頭容量：V'封=5.71（m3）圓筒容量 ： 不計(jì)上封頭容積 ： 校核種子罐總?cè)莘eV'總：幾乎與需要的種子罐容積80m3相等，可滿足設(shè)計(jì)要求。7.7.3冷卻面積的計(jì)算 采用夾套冷卻（1）發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量

43、：（2）夾套傳熱系數(shù)：現(xiàn)取K=4.18×220kJ/（m2·h·）（3）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：（4）需冷卻面積F： （5）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 ： =6.9m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。該設(shè)計(jì)夾套能滿足要求；7.7.4設(shè)備材料的選擇及設(shè)備工藝 采用A3鋼制作設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)：（1）擋板：根據(jù)全擋板條件，式中B擋板寬度B（0.1-0.12）D=0.1×3520=352mm D罐徑D3.52m Z擋板數(shù)：

44、取Z5塊（2）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(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2，50L罐N1470r/min，攪拌器直徑Di=112mm兩擋攪拌。（3）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Rem3式中 D攪拌器直徑，D=1.232m 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

45、攪拌狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù)4.7 N攪拌轉(zhuǎn)速，N=95r/min=1.58r/s D攪拌器直徑，D=1.232m 醪液密度，=1050kg/m3 代入上式： iii 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=95r/min D攪拌器直徑（cm），D3=1.2323×106=1.87×106 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=64×0.11×=7.04×（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

46、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）進(jìn)風(fēng)管：該管距罐底2560mm之間，現(xiàn)取30mm向下單管。通風(fēng)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，無(wú)縫鋼管(YB231-70)，管徑采用76×4mm 5,內(nèi)徑76-2×4=68mm大于56.4mm，可滿足生產(chǎn)要求。（5）進(jìn)出物料管：該管為物料進(jìn)口，管底距罐底2560mm之間，現(xiàn)取30mm向下單管。按輸送物料算：40min送完64m3物料則物料流量為管道截面為F，

47、物料流速為v=0.51m/s，現(xiàn)取v=0.5m/s，則：設(shè)管徑為：圓整，無(wú)縫鋼管(YB231-70)，管徑采用273×8mm5 ,內(nèi)徑273-2×8=257mm幾乎與計(jì)算結(jié)果相等，可滿足生產(chǎn)要求。（6）冷卻水管：由前知需冷卻熱量，冷卻水溫變化由23升到27，水比熱容則耗水量W為：取水流速v=4m/s；查的水在平均溫度25攝氏度下的密度為：997.1kg/m3；則冷卻管直徑為選用5無(wú)縫鋼管，滿足要求。（7） 支座選型 選用支撐式支座8 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總及主要符號(hào)說(shuō)明附錄一 130000t/a味精廠發(fā)酵車(chē)間的物料衡算結(jié)果序號(hào)物料名稱(chēng)生產(chǎn)1t味精（100%）的物料量130000t/a味精生產(chǎn)的物料量每日物料量1發(fā)酵液/m36.55851.52838.332二級(jí)種液/m30.524227.073發(fā)酵水解用糖/kg14414二級(jí)種培養(yǎng)用糖/kg26.25水解糖總量/kg1467.26淀粉/kg1423.137液氨/kg4208糖蜜/kg36.699氯化鉀/kg5.2410磷酸氫二鉀/kg0.524227.0711硫酸鎂/kg4.2412泡敵/kg6.8613玉米漿/kg4.191815.714生物素/kg0.023610.2315硫酸錳/g1.048454.1316硫酸亞鐵/g1.048454.1317