年產(chǎn)5.3萬噸一水檸檬酸工廠發(fā)酵罐的設(shè)計(附發(fā)酵罐圖,工藝流程圖)

1、? 生化工程課程設(shè)計?課題名稱：年產(chǎn) 5.3 萬噸檸檬酸發(fā)酵工廠發(fā)酵罐設(shè)計學(xué)生姓名：馮佩全學(xué) 號： 14801056專業(yè)：生物工程班 級： 14 生物本 2成績：指導(dǎo)老師：楊立、龔乃超設(shè)計時間：2017 年 4月 10 日 2017年 4月 21 日摘 要 IAbstract I I前言 11.1 檸檬酸的性質(zhì)和用途1.1.2 檸檬酸的來源和發(fā)展情況1.生產(chǎn)工藝 21.3 生產(chǎn)方法21.4 工藝流程21.5 操作工藝31.5.1 原料的處理3.1.5.2 發(fā)酵工序31.5.3 醪液處理工序4.1.5.4 提取工段41.5.5 精制工段4工藝計算書 51.6 物料衡算51.6.1 工藝技術(shù)指標(biāo)及

2、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)5.1.6.2 原料消耗計算（基準(zhǔn)：一噸成品檸檬酸）5.1.6.3 發(fā)酵醪量的計算6.1.6.4 接種量 61.6.5 液化醪量計算6.1.6.6 成品檸檬酸7.1.6.7 淀粉質(zhì)原料年產(chǎn)1.4萬噸一水檸檬酸廠總物料衡算7.1.7 熱量衡算8 1.7.1 液化熱平衡計算8.1.7.2 發(fā)酵過程中的蒸汽耗量的計算8.1.7.3 發(fā)酵過程中的冷卻水耗量計算1.01.7.4 發(fā)酵過程中的無菌空氣耗用量的計算1.11.8 發(fā)酵罐的選型1.1.1.8.1 發(fā)酵罐容積和臺數(shù)的確定1.2.1.8.2 主要尺寸的計算1.3.1.8.3 發(fā)酵罐冷卻面積的計算1.3.1.8.4 發(fā)酵罐攪拌器的設(shè)計1.4.

3、1.8.5 發(fā)酵罐設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計1.5.1.8.6 發(fā)酵罐設(shè)備材料的選擇1.7.1.8.7 發(fā)酵罐壁厚的計算1.7.1.8.8 發(fā)酵罐接管設(shè)計1.8.1.8.9 發(fā)酵罐支座的選擇1.9.1.9 貯罐選型1.9.1.9.1 發(fā)酵成熟醪貯罐1.9.1.9.2 硫酸銨貯罐1.9.結(jié)論： 21參考文獻(xiàn) 22附錄1 23附錄2 24年產(chǎn) 5.3 萬噸一水檸檬酸工廠發(fā)酵罐的設(shè)計摘要本設(shè)計采用薯干原料發(fā)酵，只需將薯干磨成粉，加水調(diào)漿，直接加入少量 淀粉酶液化后滅菌、冷卻即可接種發(fā)酵。制備檸檬酸一般采用曬干的薯干作為原料。其中薯干含水 10%-15%、淀粉70%左右、蛋白質(zhì)6%左右。薯干原料中的蛋白質(zhì)可作

4、為氮源供菌體生長。薯干原料中含有鐵、鎂、鉀、鈣等的無機鹽，選用的黑曲霉C0527 對這些成分不敏感故不必對原料做這方面的預(yù)處理。本設(shè)計采用液體深層好氧發(fā)酵、鈣鹽法提取技術(shù)生產(chǎn)檸檬酸。這兩種方法都是國內(nèi)比較流行的生產(chǎn)方法，有著大量的實際經(jīng)驗，易于操作，風(fēng)險小。由于本設(shè)計為種子罐的工藝計算、設(shè)備選型。通過全廠物料衡算、車間熱量衡算，確定種子罐的設(shè)計和選型。本設(shè)計還包括種子罐圖，工藝流程圖。關(guān)鍵詞：薯干 ；深層好氧發(fā)酵；黑曲霉；檸檬酸；設(shè)備設(shè)計和選型IAbstractThis design uses fermentation of dry raw materials, just dry powder

5、, add water and slurry, directly into the small amounts of -amylase liquefaction after sterilization, cooling can be inoculated fermentation. Preparation of citric acid generally use dried dried potatoes as raw material. Dry water 10%-15% around 70%, starch, proteins around 6%. Proteins in the dry r

6、aw materials can be used as nitrogen source for bacterial growth. Dry raw materials containing inorganic salts such as iron, magnesium, potassium, calcium, selection of Aspergillus Niger C0527 insensitive to these ingredients, so no pretreatment of the raw materials to do it. This design uses submer

7、ged aerobic fermentation of citric acid, calcium salt extraction technology to produce. Both of these methods are more popular in China, have significant practical experience, easy to operate, risk.Because of this design for process calculation of seeding tank, device selection. Through the whole ma

8、terial balance, plant heat balance, determine the design and selection of seed tank.This design also includes seeding tank, flow chart.Key words: dry; deep aerobic fermentation;Aspergillus ;citric acid ;equipment design and selection.1.1 檸檬酸的性質(zhì)和用途檸檬酸 （ citric acid） ， 學(xué)名為 2-羥基 -丙烷三羧酸，結(jié)構(gòu)為分子量 ： 192. 14

9、 ，是一種重要的有機酸。無色晶體，常含一分子結(jié)晶水，無臭，有很強的酸味，易溶于水。其鈣鹽在冷水中比熱水中易溶解，此性質(zhì)常用來鑒定和分離檸檬酸。結(jié)晶時控制適宜的溫度可獲得無水檸檬酸。檸檬酸在自然界分布很廣，主要存在于檸檬、柑橘、菠蘿等。檸檬酸具有宜人風(fēng)味、高的水溶性和強的金屬螯合力，長期以來占據(jù)食用酸味劑70%左右的市場份額，除可口可樂和純果汁以外，幾乎所有的飲料（包括固體和液體）都使用檸檬酸作為酸味劑，通常的添加量為0.25%-0.4%（ m/m） 。檸檬酸在化學(xué)技術(shù)上可作化學(xué)分析用試劑，用作實驗試劑、色譜分析試劑及生化試劑；用作絡(luò)合劑，掩蔽劑；用以配制緩沖溶液。此外，食品加工和奶制品也添加檸

10、檬酸或檸檬酸鹽。據(jù)不完全統(tǒng)計，使用檸檬酸的食品或藥品（如化學(xué)藥的枸櫞酸鹽）約有上千種之多。檸檬酸除用于食品和醫(yī)藥工業(yè)外，最大的用途是代替三聚磷酸鈉作為洗滌劑的助洗劑， 20 世紀(jì) 90 年代初，國外還有人發(fā)現(xiàn)檸檬酸加入混凝土中可作為一種“減水劑”，并能提高混凝土的凝固強度?？梢哉J(rèn)為，檸檬酸早已成為現(xiàn)代食品、醫(yī)藥業(yè)、日化行業(yè)及其他工業(yè)的通用原料1。1.2 檸檬酸的來源和發(fā)展情況1784年瑞典科學(xué)家Scheele首次從檸檬汁中結(jié)晶出固體檸檬酸。1860年意大利開始用添加石灰乳的方法從果汁中得到檸檬酸，從而進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)。直到20 世紀(jì)初，檸檬酸主要是從檸檬中提取產(chǎn)量很低，主要應(yīng)用于食品工業(yè)和洗滌

11、劑，主要產(chǎn)地以意大利的西西里島為主。1893年德國微生物學(xué)者Wehmer發(fā)現(xiàn)一種青霉能夠積累檸檬酸，但未能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。1917 年，美國學(xué)者Currie 發(fā)現(xiàn)了一株產(chǎn)檸檬酸的黑曲霉，并通過美國的Pfizer（輝瑞）公司于1923年采用淺盤發(fā)酵實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，原料主要是糖蜜。1952 年，美國的 Miles 公司首先成功地采用液體深層發(fā)酵工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)檸檬酸。由于這種新工藝比傳統(tǒng)的淺盤工藝有更多的優(yōu)越性，因而推動了世界檸檬酸工業(yè)的迅速發(fā)展，深層發(fā)酵法也成為檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)的主要工藝。到 2000 年， 全球檸檬酸的年生產(chǎn)能力在90 萬噸以上，并一直保持比較平穩(wěn)的發(fā)展速度2。我國檸檬酸發(fā)酵工業(yè)

12、在1949 年以前是個空白。1969 年上海酵母廠成功利用薯干粉深層發(fā)酵檸檬酸。在20 世紀(jì) 80 年代，由于出口的需要，我國的檸檬酸生產(chǎn)發(fā)展速度，已成為世界上檸檬酸生產(chǎn)量最大的國家。全國有近90 家檸檬酸生產(chǎn)企業(yè)，年生產(chǎn)能力達(dá)近50萬噸，占世界總量的40%多。2002 年全國產(chǎn)量30 多萬噸， 2003 年達(dá) 40 余萬噸。我國開發(fā)的以白薯干為原料的產(chǎn)酸菌種具有其獨到的特點，加之我國的許多地區(qū)對生產(chǎn)過程中排放的廢水要求較低，多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水沒能進(jìn)行比較有效的處理，因此，我國檸檬酸生產(chǎn)成本較低，在國際市場上具有較強的競爭力。近年來我國的檬酸的年出口量一直保持在10 萬噸以上3

13、。生產(chǎn)工藝1.3 生產(chǎn)方法本次生產(chǎn)工藝設(shè)計以薯干為原料，采用直接粉碎、調(diào)漿、液化，進(jìn)行好氣液體深層發(fā)酵，鈣鹽法提取，最后結(jié)晶、干燥得到檸檬酸。1.4 工藝流程本次生產(chǎn)工藝的基本過程是：在接收糖漿后，根據(jù)糖漿組成作適當(dāng)?shù)奶幚砘蚺渲疲涑砂l(fā)酵原料，進(jìn)行連續(xù)殺菌并冷卻后，進(jìn)入發(fā)酵罐，加入菌種和凈化壓縮空氣后進(jìn)行發(fā)酵；發(fā)酵液經(jīng)升溫、過濾處理后，進(jìn)入中和罐，用CaCO3中和處理；再經(jīng)過過濾洗滌，得到檸檬酸鈣固體，送入酸解罐，再添加H2SO4酸解，并加入活性炭進(jìn)行脫色；然后，通過帶式過濾機過濾、酸解過濾，除去CaSO4及廢炭；酸解過濾液經(jīng)離子交換處理后，進(jìn)行蒸發(fā)、濃縮，再進(jìn)行結(jié)晶；結(jié)晶后，用離心機進(jìn)行固液

14、分離，對得到的濕檸檬酸晶體進(jìn)行干燥與篩選，最后得到成品的檸檬酸。27成品的檸檬酸。分離次品回溶廢渣處理過濾1- 1 檸檬酸生產(chǎn)工藝流程示意圖蒸發(fā)結(jié)品1.5 操作工藝1.5.1 原料的處理根據(jù)發(fā)酵的要求，對薯干原料，采用直接粉碎、磨粉、調(diào)漿、液化、連續(xù)滅菌的處理1 3cm 大小的小塊，以提高磨粉機的效率，便于物料的輸送。粗碎后，由斗式提升4。1.5.2 發(fā)酵工序由備料車間提供的經(jīng)連續(xù)滅菌并冷卻的料液，通過滅菌管道泵入已空消滅菌待料的發(fā)（或種子罐），通過差壓法或零磅火焰倒種法，接入已培養(yǎng)好的檸檬酸菌種，在通風(fēng)、攪拌情況下，進(jìn)行發(fā)酵或培養(yǎng)。在發(fā)酵培養(yǎng)過程中，對罐溫、罐壓、通風(fēng)量、攪拌轉(zhuǎn)速等實行連續(xù)記

15、錄監(jiān)控，并定期檢測原糖消耗情況、菌種生長狀態(tài)、pH 值、泡沫等變化情況。根據(jù)發(fā)酵的工藝特性要求，及時調(diào)整控制發(fā)酵工藝過程，以獲得最佳工藝產(chǎn)酸率或種罐菌種活力，一般經(jīng)66小時 （種罐約 25小時 ） 培養(yǎng)，大罐在殘?zhí)侵笜?biāo)、產(chǎn)酸情況達(dá)到放罐條件即可放罐；種罐菌種活力及菌群數(shù)量達(dá)標(biāo)后，即可移種。在發(fā)酵或培種過程的定期檢測中，若發(fā)現(xiàn)異常情況，如染菌等，應(yīng)針對具體情況及時處理，對中、前期染菌，可加大種量形成主菌群生長優(yōu)勢，或及時罐實消，補入適當(dāng)營養(yǎng)源重新接種發(fā)酵；后期時可加強監(jiān)控，提前放罐；對倒罐等應(yīng)予滅菌排放處理，并認(rèn)真查找原因，進(jìn)一步強化滅菌操作中的各個環(huán)節(jié)5。1.5.3 醪液處理工序檸檬酸發(fā)酵完成

16、后，應(yīng)即時進(jìn)行熱處理，以滅活發(fā)酵，絮凝蛋白、提高收率，為提高設(shè)備利用率，增設(shè)醪液貯罐，通過熱交換器，及時將醪液加熱至80后進(jìn)入醪液熱貯罐，再經(jīng)泵壓入過濾機，除掉固形物及菌體殘渣，將清醪液泵入下道工序7。1.5.4 提取工段由壓濾工段送來的檸檬酸清醪液泵入中和罐，在80下進(jìn)行中和。碳酸鈣經(jīng)密閉的輸送機送入車間，經(jīng)無級調(diào)速下料螺旋分散投入中和罐，以防止局部濃度過高，使中和沉淀反應(yīng)均勻，經(jīng)終點檢測合格后，將檸檬酸鈣懸浮液排入帶式過濾機中，將固體檸檬酸鈣從懸浮液中分離出來，為滿足玉米原料及薯干原料生產(chǎn)工藝的雙重要求，中和帶式過濾機用特定的加長、強洗型，生產(chǎn)原料操作靈活，以確保粗原料生產(chǎn)時的中和洗糖要求

17、及成品的指標(biāo)控制，要求并使中和廢水經(jīng)分流至污水處理站。分離后的檸檬酸鈣經(jīng)卸料螺旋送至酸解桶中， 由熱水或酸解液調(diào)漿，濃硫酸由酸堿站泵入，再計量到酸堿桶中與檸檬酸鈣在80下生成硫酸鈣與檸檬酸的懸濁液送入酸解帶式過濾機進(jìn)行過濾，清洗液即稀酸解液收集用于調(diào)漿，硫酸鈣運至渣場綜合利用，檸檬酸酸解送精制工段8。1.5.5 精制工段離子交換與脫色檸檬酸液從暫貯灌中泵送離交純化工序，經(jīng)由陽離于交換塔，陰離子交換塔和活性炭脫色塔，離交脫色除去色澤及影響成品質(zhì)量加速設(shè)備腐蝕的陰陽離子，陰陽樹脂需經(jīng)過酸洗、堿洗再生處理，離交后的檸檬酸精制母液送入蒸發(fā)工序9。蒸發(fā)與結(jié)晶在提純?nèi)芤哼M(jìn)入蒸發(fā)部分前，通過精過濾器除去清液

18、中的微小樹脂顆粒。精濾后的溶液經(jīng)熱交換器預(yù)熱后送至雙效真空濃縮器經(jīng)濃縮至特定濃度后，轉(zhuǎn)入真空結(jié)晶器，或者低溫結(jié)晶器進(jìn)行結(jié)晶。以確定產(chǎn)品（一水產(chǎn)品或無水產(chǎn)品），再經(jīng)分離將檸檬酸晶粒從液相中分離出來，液相（母液）在分離后分別放至各級母液貯罐，根據(jù)其雜質(zhì)離交濃度情況，送往重新蒸發(fā)式回流到前工序處理提純，晶體送往干燥機10。干燥與包裝從離心機分離出來的濕檸檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根據(jù)生產(chǎn)品種控制干燥空氣、溫度及冷卻空氣量進(jìn)行干燥，排空經(jīng)濕式旋風(fēng)分離器處理排放，干燥后的檸檬酸晶粒通過傳送裝置運到篩選機，不合格顆粒被篩分出來，溶解后返回到結(jié)晶系統(tǒng)，檸檬酸成品進(jìn)行定量、包裝，存放11。工藝計算書1.6

19、物料衡算1.6.1 工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（ 1）生產(chǎn)規(guī)模：53000t/a99.5%一水檸檬酸折合成48561.48t/a99.5%無水檸檬酸；（ 2）生產(chǎn)方法：外加耐高溫 -淀粉酶液化，深層液體發(fā)酵，鈣鹽干法提?。唬?3）生產(chǎn)天數(shù)：每年300天；（ 4）食用99.5%無水檸檬酸日產(chǎn)量：48561.48÷ 300=161.87t，取整數(shù)為162t；（ 5）食用99.5%無水檸檬酸年產(chǎn)量：162× 300=48600t；（ 6） 產(chǎn)品質(zhì)量：國際食用檸檬酸99.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）， 實際產(chǎn)率98%， 副產(chǎn)品約占2%；（ 7）薯干粉成分：含淀粉量70%，水分13%；（ 8） -淀

20、粉酶用量：8U/g 原料；（ 9）操作參數(shù)：淀粉糖轉(zhuǎn)化率98.5%，糖酸轉(zhuǎn)化率95%，提取階段分離收率95%，精制階段收率98%， 倒罐率1%則其得率為1 1% 99% ； 產(chǎn)酸率 （即糖發(fā)酵液轉(zhuǎn)化率）13%；發(fā)酵周期75h，發(fā)酵溫度（35 1），發(fā)酵通風(fēng)量10V/（V 發(fā)酵液.h）。1.6.2 原料消耗計算（基準(zhǔn)：一噸成品檸檬酸）年產(chǎn) 1.4萬噸一水檸檬酸，折合無水檸檬酸，按1995年 5月，中國發(fā)酵工業(yè)協(xié)會檸檬酸分會制定的“檸檬酸行業(yè)統(tǒng)計辦法”：無水檸檬酸需要量為：53000÷ 1.09375=48561.48t/a（ 1）生產(chǎn)無水檸檬酸的總化學(xué)反應(yīng)式：（C6H10O5）n nH

21、2O 3n/2O2 nC6H8O7 2nH2O192X1000(2)生產(chǎn)1000kg99.5%無水檸檬酸所需的理論淀粉消耗量：X=1000×(162÷ 192)×99.5%=839.53 kg(3)生產(chǎn)1000kg99.5%無水檸檬酸所需實際淀粉消耗量：X÷ (98.5%× 95%× 95%× 98%× 99%)=973.40kg(4)生產(chǎn)1000kg99.5%無水檸檬酸所需實際薯干粉原料消耗量：973.4÷ 70%=1390.57kg( 5) -淀粉酶的消耗量：應(yīng)用酶活力為20000u/g 的 -淀粉酶

22、使淀粉液化。 -淀粉酶用量按8u/g 原料計算；有：1390.57× 103× 8÷ 20000=0.557kg1.6.3 發(fā)酵醪量的計算根據(jù)發(fā)酵液轉(zhuǎn)化率為13%：1000 99.5%( 95% 98% 13%) 8221.102206kg1.6.4 接種量接種量為發(fā)酵醪的10%，則：8221.103× 10%÷ 100%=747.373 kg1.6.5 液化醪量計算因為成熟蒸煮醪為：8221. 103- 747. 373-0. 56=7473. 17kg則調(diào)漿濃度為：1390. 57× 100%÷ 7473. 17=18.

23、 6%粉漿的干物質(zhì)濃度為：973.4× 100%÷ 7473.17=13.03%蒸煮直接蒸汽加熱,采用連續(xù)液化工藝:操作流程:混合后粉漿溫度為50，應(yīng)用噴射液化器迅速使粉漿升溫至100。升溫后進(jìn)入維持罐，使料液保溫20 30min 以完成液化，進(jìn)蒸汽壓力保持在0.3 0.4MPa表壓。液化完成的醪液由板式換熱器降溫至35+1備用。調(diào)漿及液化滅菌時產(chǎn)生的泡沫可用少量泡敵消泡。工藝計算:干物質(zhì)含量B0=70%的薯干原料比熱容為:C=1.55 C0 4.18( 1 0.7 70%) =2.1318kJ/(kg?K)粉漿的干物質(zhì)濃度為B1=12.54%液化醪的比熱容為：C1=B1C

24、0+(1.0- B1)Cw=12.54%× 2.1318+(1.0-13.03%)× 4.18=3.913kJ/(kg· K)Cw-水的比熱容取4.18kJ/(kg· K)為簡化計算，定液化醪的比熱容在整個過程中維持不變.經(jīng)噴射液化器前的液化醪量為X:X+X× 3. 913× (100-50)÷ ( 2731. 2- 100× 4. 18)=6889. 4(kg)解得X=6889.4( kg)其中2731.2-噴射液化器加熱蒸汽 0.3MPa的焓1.6.6 成品檸檬酸日產(chǎn)檸檬酸量為：53000÷ 300=

25、161. 87t/ d即結(jié)晶液中檸檬酸的含量為：162t/d需精制液中檸檬酸含量為：162÷ 98%=165.3061t/d需分離液中檸檬酸的含量為：162÷(95%× 98%) =174.0064t/d1.6.7 淀粉質(zhì)原料年產(chǎn)1.4萬噸一水檸檬酸廠總物料衡算即對生產(chǎn)48561.48t/a99.5%無水檸檬酸的薯干原料檸檬酸廠進(jìn)行計算。( 1)檸檬酸成品日產(chǎn)食用99.5% 無水檸檬酸量為161.87t，取整數(shù)為162t日產(chǎn)副產(chǎn)品為：162× 2%÷ 98%=3.31t則日產(chǎn)總量為：162+3.31=165.31t實際年產(chǎn)量為：食用檸檬酸量為：

26、162× 300=48600t/a副產(chǎn)物為：3.31× 300=993 t/a總產(chǎn)量為：49593 t/a( 2)主要原料薯干用量日耗量：1390.57× 10 3× 161.8776=229.876t年耗量：229.876× 300=68962.79t( 3)根據(jù)以上計算，將物料衡算結(jié)果列于表3-1。表 3-14000t/a料檸檬酸廠物料衡算表物料名稱每噸產(chǎn)品耗物量( kg)年產(chǎn)1.4 萬噸耗物量每天(t/d)每年 (t/a)食用檸檬酸98016248600副產(chǎn)品203.31993薯干原料1390.57229.8868962.79淀粉973.

27、4160.9148273.95 -淀粉酶0.560.0927.59發(fā)酵醪8304.141359.00407699.60接種量830.41123.5537063.60成熟蒸煮醪7473.171235.36370608.40薯干漿量6894.71139341700.101.7熱量衡算1.7.1 液化熱平衡計算噴射加熱器耗熱噴射加熱初溫t1=50加熱后t2=100醪液的比熱容為C1 =3.92kJ/(kg·)由工藝可知:經(jīng)過噴射加熱器溫度由t1=50升溫至t2=100Q= C1× G醪液 (100-50)=3.92× 6889.4× (100-50)=1350

28、322kJ1.7.2 發(fā)酵過程中的蒸汽耗量的計算1)蒸汽用量的計算公式整個生產(chǎn)過程采用蒸汽加熱，蒸汽耗用量計算公式為：DQ總DC t2 t1Ii I式中： 為蒸汽的熱效率，取 95% ；( 2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在 280C 下，查得淀粉的比熱容為1.55 kJ/(kg·)；水的比熱容為4.174kJ/(kg·)；加熱蒸汽的熱焓為2549.5 kJ/(kg·)；加熱蒸汽的冷凝水的熱焓為1250.60 kJ/(kg·)由前面的計算可知，日耗薯干粉量為229.876t/d日耗淀粉量為160.92/d日耗薯干漿量為1235.362t/d則日耗調(diào)漿用水量為：1235.36

29、2-229.876=1005.486 t/d日耗淀粉漿量為：161.87+1005.486=1166.406t/d淀粉漿中含水量為：( 1005.486÷ 1166.406)×100%=96.204%淀粉濃度為：( 161.87÷ 1166.406)×100%=13.80%由此可算得淀粉漿的比熱容為：C=C 淀粉 × X+C 水 × Y=1.55× 13.8%+4.174× 86.204%=3.816kJ/kg K式中：X淀粉濃度，13.8%Y水濃度，86.204%( 3)生產(chǎn)過程中蒸汽耗量的計算培養(yǎng)基滅菌及管道滅

30、菌：培養(yǎng)基采取連消塔連續(xù)滅菌，進(jìn)塔溫90，滅菌130則滅菌用蒸汽量：D DC t2 t13I每罐的初始體積為180 m3，初糖濃度是13g/100ml，滅菌前培養(yǎng)基含糖量19%。其數(shù)量為：180× 13%÷ 19%=123.16t滅菌加熱過程中用0.3MPa，蒸汽(表壓)I=2725.3kJ/kg，由維持罐(90)，進(jìn)入連消塔加熱至130，糖液比熱容3.69kJ/kg K 。每罐滅菌時間3h，輸料流量123.16÷ 3=41.05 t/h，消毒滅菌用蒸汽量：D=41.05× 3.69× (130-90)÷ (2725.3-130

31、15; 4.18) =2.78t/h；每天培養(yǎng)基滅菌用蒸汽量：2.78× 3× 2=33.31t/d；所有用罐空罐滅菌及相關(guān)管道滅菌用蒸汽量，據(jù)經(jīng)驗取培養(yǎng)基滅菌用蒸汽量的10%，則：D1=33.31× 10%=3.33t/d。加熱發(fā)酵醪所用的蒸汽量D6：檸檬酸水溶液的比熱容可按下式近似計算：C=(0.99-0.66 +0.0010t) × 4.19式中：0.99比熱容kJ/kg? 檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)， =( 174.0064÷ 1358.999)×100%=12.8%t 溫度，代入上式，得：C=( 0.99-0.66× 12.2

32、0%+0.0010× 35)×4.19=3.94kJ/kg K那么由此可得D6為：D6=GC(t1-t2)/(I- ) =1358.999× 3.94×(85-35)÷(2549.5-1250.60)×95%=58754.39t/a( 4)將發(fā)酵段蒸汽衡算列于表3-2。表 3- 2 發(fā)酵車間蒸汽衡算生產(chǎn)日用蒸汽量平均蒸汽用量年用蒸汽量工序( t/ d)(t/h)( t/a)培養(yǎng)基滅菌33. 311.399994. 01加熱發(fā)酵醪111. 234. 6333367. 68空罐滅菌3. 330.14999. 40合計147. 876.16

33、44361 . 091.7.3 發(fā)酵過程中的冷卻水耗量計算25080kJ/m3· h， 400 m3的發(fā)酵罐一般裝料量為360 m3(填充系數(shù)為 W0.9) ，則Q4.18 6000 360酵C水( t2 t1)4.18 (28 15)=166153.8462kg/h=3987.692t/d=1196308t/a已知25 m3的種子罐(填充系數(shù)0.7) ，裝料量為17.5 m3W 種子 =4.18× 6000× 17.5÷ 4.18× (28-15)=8077kg/h=193.85t/d=58155t/d將發(fā)酵段水衡算列入表3-3。表 3- 3

34、 發(fā)酵車間冷卻水衡算表生產(chǎn)工序平均耗水量( t/ h)日耗水量(t/d)年耗水量(t/a)發(fā)酵罐用水166. 1543987. 6921196307. 69種子罐用水8. 077193. 84658153. 85合計174. 2314181. 5381254461 . 541.7.4 發(fā)酵過程中的無菌空氣耗用量的計算( 1)單罐發(fā)酵罐用無菌空氣量：根據(jù)無菌空氣用量的計算公式：V=發(fā)酵罐體積×通氣速率×填充系數(shù)已知：發(fā)酵罐體積為400 m3通氣速率為0.18vvm填充系數(shù)為60%則： V=400× 0.18× 60%=43.2m3/h( 2)單個種子罐用無

35、菌空氣量：取種子罐的空氣消耗量為發(fā)酵過程空氣耗量的25%,則 : V=25%V=25% × 43.2=10.8 m3/h( 3)將發(fā)酵車間蒸汽衡算列入表3.4。表 3-4 發(fā)酵車間無菌空氣用量衡算表設(shè)備單罐每小時用氣單罐每日用每罐每年用年總用名稱量 ( m3/ h)氣量( m3/ d)氣量 ( m3/ a)氣量m3/ a發(fā)酵罐43. 21036. 83110403421440種子罐10. 8259. 277760855360總用量54129638880042768001.8發(fā)酵罐的選型當(dāng)前，我國檸檬酸發(fā)酵占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍是機械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，即通常所 說的通用罐。選用這種發(fā)酵

36、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，成功率高。此外在檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備方面，大型氣升式發(fā)酵罐仍處于試用攻關(guān)階段。從試用情況看， 由于氣升式罐在生產(chǎn)周期、產(chǎn)酸率、 供氧周期波動的影響、通風(fēng)量增加的綜合能耗、生產(chǎn)的穩(wěn)定性及可重復(fù)性等因素，所以多數(shù)廠家目前仍延用機械攪拌通風(fēng)式發(fā)酵罐。因而，就本項目而言，按技術(shù)成熟，可靠、穩(wěn)妥的原則，結(jié)合檸檬酸工程中的設(shè)計經(jīng)驗，通過對罐內(nèi)空氣分配器進(jìn)行適當(dāng)改造，成為新型的通風(fēng)式機械攪拌型發(fā)酵罐。其攪拌功率，比相同容積的通用發(fā)酵罐降低約10%。從生物發(fā)酵行業(yè)醪液處理供料的均衡性考慮，發(fā)酵放罐間隔時間不宜大于8 小時，在技術(shù)可靠的前

37、提下，大罐放料容積不大于400 m3。結(jié)合目前本行業(yè)發(fā)酵技術(shù)的現(xiàn)狀，目前國內(nèi)行業(yè)成熟技術(shù)水平、加工技術(shù)水平，企業(yè)可能達(dá)到的發(fā)酵控制管理水平等，從生產(chǎn)的可靠性、可實施性等方面考慮，本設(shè)計擬采用放罐容積約200 m3 的新型通風(fēng)發(fā)酵罐?，F(xiàn)以此類發(fā)酵罐進(jìn)行設(shè)計選型。1.8.1 發(fā)酵罐容積和臺數(shù)的確定（ 1）發(fā)酵初糖濃度：由前面的計算可知，發(fā)酵液中檸檬酸的含量為174.006 t/d，則根據(jù)：C6H12O6C6H8O7180192可計算出葡萄糖量為：174.006× 180÷ 192=163.13 t/d則發(fā)酵初糖濃度為：163.13× 100%÷ 1358.9

38、985=12%（ 2）生產(chǎn)能力的計算：現(xiàn)每天產(chǎn)99.5%純度的檸檬酸162t，檸檬酸發(fā)酵周期為75h（包括發(fā)酵罐清洗、滅菌、進(jìn)出物料等輔助操作時間）。 則每天需糖液體積為V 糖 。 每天產(chǎn)純度為99.5%的檸檬酸162t，每噸100%的檸檬酸需糖液7.58 m3；V 糖 =7.58× 162=1227.96m3設(shè)發(fā)酵罐的填充系數(shù)90% ，則每天需要發(fā)酵罐的總?cè)莘e為Vo（發(fā)酵周期為48h） 。3VO=V÷ =1227.96÷ 90%=1637.28m3（ 3）發(fā)酵罐個數(shù)的確定：現(xiàn)選擇公稱容積為400m3的六彎葉機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐為例，則需要發(fā)酵罐的個數(shù)為N1 。查表

39、知公稱容積為400 m3的發(fā)酵罐，總?cè)莘e為453m3，則：每臺罐的產(chǎn)量為：400× 0.9× 13%× 1.11× 95%× 98%=48.363588t發(fā)酵罐所需個數(shù)= 日產(chǎn)量* 操作周期 = 43 75 =5.55每臺設(shè)備產(chǎn)量2424.2 24取公稱容積400 m3發(fā)酵罐11 個；每日投 （放） 罐次：162÷ 48.36=3.349圓整到 4次， 日運轉(zhuǎn)10.46759× 66÷ 75=9.211475。其中發(fā)酵時間為66h，發(fā)酵操作時間為75h（ 4）實際產(chǎn)量驗算：453× 0.75×

40、4× 300÷ 7.58=53786.28；富裕量：（53786.28-48561.48） ÷ 48561.48=10.76%，能滿足產(chǎn)量要求。1.8.2 主要尺寸的計算（ 1）現(xiàn)按公稱容積200 m3的發(fā)酵罐計算V 全 V 筒 +2V 封 230（ m3） ，封頭折邊忽略不計，以方便計算：則 V 全 0.785D2× 2D+ ÷ 24× D3× 2 460解方程得：D 6.31（ m）取 D=6.3m， H=2D=12.6m；根 據(jù) 發(fā) 酵 工 廠 設(shè) 計 概 論 通 用 發(fā) 酵 罐 系 數(shù) 表 ， 查 得 封 頭 高 為

41、 H封 ha+hb=1250+50=1300（mm）。（ 2）驗算全容積V全 ：V全 =V 簡 +2V封 =0.785D2× 2D+（ ÷ 24）D3× 2+0.785D2× 0.05 =0.785× 6.32× 2× 6.3+ × 6.33× 2÷ 12+0.785× 6.32× 0.05 3 =459.5606m3V全 =V 全1.8.3 發(fā)酵罐冷卻面積的計算對檸檬酸發(fā)酵，每1m3發(fā)酵液，每1h 傳給冷卻器得最大熱量約為34.18× 6000kJ/（m3

42、3; h）。采用豎式列管換熱器。取經(jīng)驗值K 4.18× 500kJ/( m3·th· )t。平均溫差為：ln t1t23535152820代入得：tm= 20 7 /ln 20/ 712.4對公稱體積200 m3的發(fā)酵罐，每次放4罐，每罐實際裝液量為：21227.96÷ 4=306.99 m2換熱面積F= Q = 4.18× 6000× 306.99÷ ( 4.18× 500× 12.4) =297.0871 m2 k tm1.8.4 發(fā)酵罐攪拌器的設(shè)計(選用六彎葉渦輪攪拌器)。( 1)主要尺寸：列該攪拌

43、器的各部尺寸與罐徑D 有一定的比例關(guān)系，如下：攪拌器葉徑D/3=6.3/3=2.1m葉寬B=0.2d=0.2× 2.1=0.42m弧長l=0.375d=0.375× 2.1=0.7875m底距C=D/3=6.3/3=2.1m盤徑di=0.75Di=0.75× 2.1=1.575m葉弦長L=0.25d=0.25× 2.1=0.525m葉距Y=D=6.3m彎葉板厚 =12mm( 2)轉(zhuǎn)速：取四檔攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N 可根據(jù) 50 m3 罐，攪拌器直徑1.05 m，轉(zhuǎn)速n=110r/min,以等PO/N 為標(biāo)準(zhǔn)放大求得4：N2=N1(D1/D2)2/3=110&#

44、215; (1.05/2.1) 2/3=36.67(r/min)( 3)攪拌軸功率：通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐，攪拌軸功率的計算有許多方法，現(xiàn)采用修正的脈凱爾式求攪拌軸功率，并由此選擇電機。計算Rem ：Rem D N /式中：D 攪拌器直徑，為2.1mN 攪拌器轉(zhuǎn)速，為N 36.67/60 0.611(r/s)3醪液密度， 1050kg/ m3醪液粘度， 1.3 10 3N·s/ m2將數(shù)代入上式，得：Rem 2.12× 0.611× 1050/1.3× 10-3=2.18× 106>104視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP 4.7計算不通氣時的攪拌軸功

45、率PO：PONPN3D5式中：NP在湍流狀態(tài)時其值為常數(shù)4.7N攪拌器轉(zhuǎn)速，為0.611(r/s)D攪拌器直徑，為2.1m 醪液密度， 1050kg/m3代入上式得：PO4.7× 0.6113× 2.15× 1050 459.986kW四檔功率則為：PO 4 PO183.994 kW計算通風(fēng)時的軸功率Pg：Pg 2.25*10 3*( P0ND )0.39 kWQ0.08式中：PO不通氣時的攪拌軸功率，P02 =183.9942=3.385× 105N 攪拌器轉(zhuǎn)速，為80r/minD攪拌器直徑(cm)， D3=2.13× 106=9.261&#

46、215; 106Q通風(fēng)量(ml/min)，通風(fēng)比為vvm=0.08- 0. 15，取低限，如通風(fēng)量變大，Pg會小，為安全，現(xiàn)取0.11，則：Q=400× 0.75× 0.11× 106=3.3× 1070.08Q0.08 (3.3× 107 ) 3.99Pg=2.25× 10-3× (3.385× 105× 36.67× 9.261× 106/3.835)0.39=162.64kW求電機功率P電 ： P電 Pg÷ ( 1 2 3) × 1.01采用三角帶傳動1 0.

47、92，滾動軸承2 0.99，滑動軸承3 0.98，端面密封增加的功率為1，代入公式數(shù)值得：P電 162.64× 1.01÷ (0.92× 0.99× 0.98) 184.0291 kW查取合適電機。1.8.5 發(fā)酵罐設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計( 1)空氣分布器本罐使用單管進(jìn)風(fēng)，風(fēng)管直徑計算見后面的接管設(shè)計。( 2)檔板檔板的作用是加強攪拌強度，促使液體上下翻動和控制流型，防止產(chǎn)生旋渦而降低混合與溶氧效果4。本罐因有扶梯和豎式蛇管，故不設(shè)檔板。( 3)密封方式本罐采用雙面機械密封方式，處理軸與罐的動靜問題。( 4)冷卻管布置豎式蛇管冷卻裝置。求最高熱負(fù)荷下的好水量

48、W： WQ總Cp(t2 t1 )式中： Q 總 - 每 1 m3醪液在發(fā)酵最旺盛時，1h 的發(fā)酵量與醪液總體積的乘積：Q 總 =306.99× 4.18× 6000=7.699× 106CP- 冷卻水的比熱容，4.174KJ/ht2 - 冷卻水出溫，15代入上式得：W=7.699× 106÷4.18× (28-15)=141687.78g/h=39.36kg/s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 S 總 =n× 0.785do2冷卻水體積流量為10.4× 10-3 m3/s，取冷卻

49、水在豎直蛇管中流速為1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積S 總 為：S總 = /v式中：-冷卻水體積流量，10.4× 10-3m3/sv-冷卻水流速，1 m/s則有： S 總 =10.4× 10-3/1=10.4× 10-3m2豎直蛇管得組數(shù)N，根據(jù)管的大小一般取3、 4、 6、 8、 12組，通常每組管圈數(shù)不超過 6 圈，增加組數(shù)可排下更多的冷卻管，管與攪拌器的最小距離不應(yīng)小于250mm；每圈管子的中心距為2.5D外 3.5D外 ，管兩端U 型或 V 型彎管，可彎制或焊接，安裝是每組豎直蛇管用專用夾板夾緊，懸掛在托架上。夾板和托架則固定在罐壁上，管子與管

50、壁的最小距離應(yīng)大于100mm，主要考慮便于安裝、清洗和良好傳熱。根據(jù)發(fā)酵罐的實際情況，取管徑。由上式得：S 10.4*10 3do=0.04m0.785n0.785*8查金屬材料表選取76 4無縫管，d內(nèi) 68 mm> d0， d平均 72 mm，現(xiàn)取豎蛇管圈端部 U 型彎管曲徑為200 mm，則兩直管間距離為400 mm，總長度：l0 D 3.14× 400 1256 mm 長度 L 的計算：冷卻管總面積F 155.3 m2，無縫鋼管為76 4，每米的冷卻面積為Fo=3.14× 0.068× 1=0.21（m2），則L=F/Fo=297.0871÷

51、; 0.21=1391.378m冷卻管占有體積：V=0.785× 0.0682× 1391.378=5.05 m3長 Lo和管組高度：Lo=1391.378÷ 8=173.92m另需連接管8m:L 實 =1391.378+8=1399.378m可排豎直蛇管的高度，設(shè)為靜液面高度，下部可伸入封頭250 mm。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為1m3，則總占有體積：3V 總 =V 液 +V 容 +V 附件 =306.99+2.68+1=310.67m由前可知，V 封頭 = D3/24+0.785D2 × 0.05=3.14× 6.33÷ 24+0.

52、785× 6.32× 2× 0.053 =34.272m3則管筒體部分液深為：（ V 總 -V 封 ） /S 截 =（ 177.52-17.335）÷0.785× 52=8.16m豎蛇管總高：H 管 =8.16+0.25=8.41mm又兩端彎管總長：lo=1256mm，兩彎管總高400mm則直管部分高度：h=H 管 -400=8410-400=8010mm則一圈管長：l=2l+l o=2× 8721+1256=18.7m每組管子數(shù)no=Lo/l=173.9223÷ 18.7=9.3（圈 ），取no=10（圈）現(xiàn)取管間距為2.

53、5D 外 =2.5× 0.076=0.19m，計算出與攪拌器的距離在允許范圍內(nèi)（不小于 200 mm） 。校核布置后冷卻管的實際傳熱面積：23F 實 = d 平均 L 實 =3.14× 0.072× 1399.378=316.3714m2>F=155.3m3可滿足要求。1.8.6 發(fā)酵罐設(shè)備材料的選擇發(fā)酵設(shè)備的材料選擇，優(yōu)先考慮的是滿足工藝的要求，其次是經(jīng)濟(jì)性。有機酸發(fā)酵，考慮到對產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的影響，安全性，后道工序除鐵困難，腐蝕性強等，必須使用加工性能好，耐酸腐蝕的不銹鋼，采用1Gr18Ni9Ti 制作發(fā)酵設(shè)備15。1.8.7 發(fā)酵罐壁厚的計算1）確定發(fā)

54、酵罐的壁厚SPDSC mm2 P式中：P 設(shè)計壓力，取最高工作壓力的1.05倍，現(xiàn)取P=0.4MPa;D 發(fā)酵罐內(nèi)徑，6300mm 不銹耐酸鋼的許用應(yīng)力； 焊封系數(shù)，由D=5000mm>800mm，雙面對接焊局部探傷，取 =0.9；C 壁厚附加量；C=C1+C2+C3其中：C1- 鋼板負(fù)偏量，視鋼板厚度查表確定，其范圍為0.13-1.3，取C1=0.5mmC2-為腐蝕余量，單面腐蝕取1mm，雙面對接焊局部探傷，取C2=0C3-加工減薄量，對冷加工C3=0，熱加工封頭C3=So× 10%，現(xiàn)取C3=0C=0.5+0+0=0.5mm則：S=0.4× 6300÷(

55、2× 131.29× 0.9-0.4) +0. 5=10.71mm選取 11mm 厚不銹耐酸鋼。封頭壁厚計算標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的厚度計算公式如下：S PD C2 P代入數(shù)得：S=0.4× 6300÷(2× 131.29× 0.9-0.4) +1.5=12.1815mm選取 13mm 厚不銹耐酸鋼。1.8.8 發(fā)酵罐接管設(shè)計( 1)接管的長度H 設(shè)計取接管長度為8 m。( 2)接管直徑的確定該管實裝醪量174.34 m3，設(shè)5h 空，則物料體積流量：Q=306.99÷(3600× 5) =1.7× 10 3 m3

56、/s發(fā)酵醪流量取V=1m/s；則排料管截面積：F實 =Q/V=1.7× 10-3 m2由F物 =0.785d2得：管徑 d=(F 實 /0.785)1/2= 9.7*10 3 =0.147m=147mm0.785取無縫鋼管 133× 4， d 內(nèi) =147mm>110mm 認(rèn)為適用若接通風(fēng)管計算，壓縮空氣在0.4MPa 下，支管氣速為20 25m/s，現(xiàn)通風(fēng)比0.080.15vvm，為常溫20，0.1MPa 下的情況，要折算到0.4MPa， 36狀態(tài)下，風(fēng)量Q，取最大值，Q1=306. 99× 0.5=46.049/min=0.767m2/s利用氣態(tài)方程式計算工作狀態(tài)的風(fēng)量Qf3Qf=0.767× (0.1÷ 0.4)× (273+35) ÷ (273+20)=0.202m3/s2Ff=Q/V=0.202/25=0.008m2取風(fēng)速V=