年产2万吨谷氨酸厂发酵罐设计

1、长江师范学院 年产2万吨谷氨酸厂 发酵罐设计说明书设计人: 龙 丹 学 号: 班 级: 2009级生物工程1班设计时间:2011.12.512.25 指导老师: 陈 今 朝 成 绩: 目录1 前言.12 设计理念与方案.33 任务书设计主体.43.1谷氨酸生产工艺流程、工艺技术指标及基础数据.43.1.1谷氨酸发酵工艺流程示意图.43.1.2工艺技术指标及基础数据.53.1.3 谷氨酸发酵车间的物料衡算.53.1.4 20000 t/a谷氨酸厂发酵车间的物料衡算表.732 发酵罐的设计与选型.8321发酵罐的选型.832.2 发酵罐的生产能力、容积及个数的确定.832.3 主要尺寸的计算 .

2、.83.2.4冷却面积的确定.93.2.5 搅拌器设计.103.2.6 搅拌轴功率的确定.113.2.7 设备结构的工艺设计.123.2.8 竖直蛇管冷却装置设计.123.2.9 设备材料的选择.153.2.10 发酵罐壁厚的计算.153.2.11 接管设计.164 设计结果与讨论.18 1 前 言味精，又名为谷氨酸钠，是烹饪中常用的一种鲜味调味品。烹调时在菜里或汤里略加少许味精，立刻可使菜肴的味道更佳鲜香浓郁、味美可口。2004年全球的味精市场约为1700000t，其年增长率预计为4%，2010年已达到2100000t1。由于我国味精产量增加，各项技术指标提高幅度大，产品成本降低，在国际市场

3、上具有较强竞争力，2005年出口味精达100000t2。1909年味精作为商品问世以来已有102年历史3。早期味精是由酸法水解蛋白质进行制造的，自从1956年日本协和发酵公司用发酵法生产以后，发酵法生产迅速发展，目前世界各国均以此法进行生产4。实际上发酵法在微生物发酵阶段，主要是获得谷氨酸，制造味精是后续加工完成的。谷氨酸学名是-氨基戊二酸，结构式为HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH5。谷氨酸在水中溶解度小，但其钠盐溶解度较大6。谷氨酸分子中有两个羧基，一个氨基，具有酸味，中和成一钠盐后，酸味消失而鲜味增加6。当前，我国的味精生产发酵法占统治地位，而发酵生产的发酵罐仍是机械搅拌

4、通风发酵罐，即大家常说的通用罐。它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢所需要的氧气。它主要由罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等组成7。现在国内最常用的发酵罐为200400m32，有关通用式发酵罐的系列尺寸如表1-1所示。表1-1 通用发酵罐的系列尺寸公称容积罐内径圆柱高封头高罐体总高封头容积圆柱部分容积50L320mm640mm105mm850mm6.3L52L100L400mm800mm125mm1050mm11.5L100L200L500mm1000mm150mm1300mm21.3

5、L197L500L700mm1400mm200mm1800mm54.5L540L1.0m3900mm1800mm250mm2300mm0.112m1.14m35.0m31500mm3000mm400mm3800mm0.487m5.3m310m31800mm3600mm475mm4550mm0.826m9.15m320m32300mm4600mm615mm5830mm1.76m319.1m350m33100mm6200mm815mm7830mm4.2m346.8m3100m34000mm8000mm1040mm10080mm9.02m3100m3200m35000mm10000mm1300mm1

6、2600mm16.4m3197m3不计上封头的容积全容积搅拌桨直径搅拌转数电动机功率搅拌轴直径冷却方式58.3L64.6L112mm470r/min0.4kW25mm夹套112L123L135mm400r/min0.4kW25mm夹套218L239L168mm360r/min0.6kW25mm夹套595L649L245mm265r/min1.1kW35mm夹套1.25m31.36m3315mm220r/min1.5kW35mm夹套5.79m36.27m3525mm160r/min5.5kW50mm夹套9.98m310.8m3630mm145r/min13kW65mm夹套20.86m322.6m

7、3770mm125r/min23kW80mm列管51m355.2m31050mm110r/min55kW110mm列管109m3118m31350mm列管213m3230m31700mm列管 近几年，随着味精生产的不断发展，产量迅速增加，生产规模不断扩大，作为发酵生产最关键的设备发酵罐也在不断向大型化的方向发展。在发酵设备向大型化发展的同时，人们更加重视对设备结构上的改进。通过改进设备，增强了设备性能，降低造价，节约能源，提高了效益。应用新的现代化技术成果来提高设计水平，增加技术含量，不断改进发酵罐的结构设计是现在和今后的发展趋势。我国独立研发设计的790m3超大型发酵罐2006年已成功投产，

8、该设备由沈阳宏成生物工程技术研发中心设计的，这是至今国内外最大容积的谷氨酸发酵罐2。此设备充分考虑了传质。传热、溶氧、功耗、细菌生长和发酵水平诸多因素。该设备投产、运行稳定，控制性能好，发酵产酸率和转化率都比较高。 2 设计理念与方案本任务书拟选择味精发酵生产中最关键的设备，发酵罐作为设计主题，并以年产2万吨为规模进行模拟设计，并决定选用历史比较悠久，资料较齐全的机械搅拌通风发酵罐，作为任务书的主要设计目标根据常识，一个良好的发酵罐应满足下列要求：结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；有良好的气-液-固接触和混合性能以及高效的热量、质

9、量、动量传递性能；在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度；有可行的管道比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。发酵罐的设计与选型，除了计算发酵罐罐体的尺寸、各部结构、搅拌功率、壁厚和容积等，还应该绘出发酵罐结构图和发酵设备图。根据以上思路，初步考虑任务书进行过程可以分为三个阶段：第一阶段：查阅资料确定谷氨酸的生产工艺流程并初步考虑发酵罐及相关设备轮廓。第二阶段：任务书进入实行阶段，包括物料衡算、发酵罐选型计算以及绘图等。第三阶段：完善任务书和数据阶段。3 任务书设计主体3.1谷氨酸生产工艺流程、工艺技术指标及基础数据3.1.1.谷氨酸发酵工艺流程

10、示意图 谷氨酸发酵采用淀粉原料，双酶法糖化，中初糖发酵流加高糖，等电点-离子交换法提取的工艺。 其工艺流程示意图如图3-1所示。空气 菌种淀粉高效前置过滤器斜面培养调浆空气压缩机摇瓶扩大培养喷射液化除铁离心沉淀冷却种子罐扩大培养过滤淀粉水解糖丝网分离器脱色 过滤除菌浓缩结晶配料干燥发酵粉碎等电点调节母液粗谷氨酸过滤 成品味精粗谷氨酸离子交换处理溶解粗谷氨酸溶液中和制味精 图3-1谷氨酸精制生产总工艺流程图3.1.2工艺技术指标及基础数据（1）.主要技术指标表表3-2 主要技术指标指标名称单位指标数生产规模t/a20000(味精)生产方法采用淀粉原料，双酶法糖化，中初糖发酵流加高糖，等电点-离子

11、交换法提取的工艺年生产天数d/a300产品日产量t/d66.67产品质量纯度99%发酵周期h41淀粉糖化转化率%109糖酸转化率%61谷氨酸提取率%96发酵初糖Kg/m3 150流加高浓糖 % 500 麸酸谷氨酸含量 % 95 味精对谷氨酸产率 % 122 倒罐率% 0.2（2）主要材料质量指标 淀粉原料的淀粉含量为80%，含水14%。（3）二级种子培养基（g/L） 水解糖50，蜜糖20，磷酸二氢钾1.0，硫酸镁0.6，玉米浆510，泡敌0.6，生物素0.02mg，硫酸锰2mg/L，硫酸亚铁2mg/L。（4）发酵初始培养基（g/L）水解糖150，蜜糖4，硫酸镁0.6，氯化钾0.8，磷酸0.2，

12、生物素2g，泡敌1.0.接种量8%。3.1.3 谷氨酸发酵车间的物料衡算首先计算生产1000Kg纯度为100%的味精需要耗用的原材料以及其他物料量。（1） 发酵液量 设发酵初糖和溜加高浓度糖最终发酵液总糖浓度为220 Kg/m3，则发酵液量为： 1000 V1= =6.38m3220×61%×96%×99.8%×122%式中 220发酵培养基终糖浓度（Kg/m3） 61%糖酸转化率 96%谷氨酸提取率 99.8%出去倒罐率0.2%后的发酵成功率 122%味精对谷氨酸的精制产率（2） 发酵液配制需水解糖量以纯糖计算 m1=220V1=1403.6(Kg)（

13、3） 二级种子液量 V2=8% V1=0.5104(m3)（4） 二级种子培养液所需水解糖量 m2=50 V2=25.52（Kg）式中50 二级种子液含糖量（Kg/m3）（5） 生产1000Kg味精需水解糖总量 m=m1+m2=1429.12（Kg）（6） 耗用淀粉原料量 理论上，100Kg淀粉转化生成葡萄糖量为111Kg，故耗用淀粉量为： 1429.12 m淀粉= =1476.49（Kg） 80%×109%111% 式中 80% 淀粉原料的淀粉含量 109% 淀粉糖化转化率（7） 液氨耗用量 发酵过程中用液氨调pH和补充氮源，耗用260280 Kg；此外，提取过程中耗用160170

14、 Kg，合计每吨味精消耗420450 Kg。（8） 甘蔗糖蜜耗用量 二级种液耗用糖蜜量为： 20V2=10.208 (Kg) 发酵培养基耗糖蜜量为： 4V1=25.52(Kg) 合计耗用糖蜜35.728 Kg（9） 氯化钾耗用量 m3=0.8V1=5.14(Kg)（10） 磷酸二氢钾（KH2PO4 H2O）耗用量 m4=1.0V2=0.5104(Kg)（11） 硫酸镁（MgSO4 7H2O）耗用量 m5= 0.6（V1+V2）=4.13424 （Kg）（12） 消泡剂（泡敌）耗用量 m6 =1.0 V1= 6.38（Kg）（13） 玉米浆耗用量（8g/L） m7=8 V2=4.038（ Kg）

15、（14） 生物素耗用量 m8 =0.02V2+0.002V1=0.022968(g) （15） 硫酸锰耗用量 m9=0.002V2=1.020（g）（16） 硫酸亚铁耗用量 m10=0.002V2=1.0208（g）（17） 磷酸耗用量 m11=0.2 V1=1.276（ Kg）（18） 谷氨酸量 发酵液谷氨酸含量为： m1×61%（10.2%）=854.48（ Kg） 实际生产的谷氨酸（提取率96%）为 854.48×96%=820.30（ Kg）3.1.4 20000 t/a谷氨酸厂发酵车间的物料衡算表由上述生产1000Kg谷氨酸（纯度100%）的物料衡算结果，可求得2

16、0000 t/a谷氨酸厂发酵车间的物料平衡计算。具体结果如表3-3所示。物料名称生产1t (100%)的物料量20000 t/a谷氨酸生产的物料量每日物料量发酵液量./m36.38127.6×103 425.3546二级种液量/m3 0.5104 10.208×103 34.028368发酵水解用糖量/Kg 1403.6 280.72×105 93.578×103二级种培养用糖量/Kg 25.52 510.4×103 1701.41水解糖总量/Kg 1429.12 285.824×105 95.279×103淀粉用量/Kg1

17、476.49 295.298×105 98.437×103液氨用量/Kg 420 84×105 28.0014×103糖蜜用量/Kg 35.728 7.1456×105 2.3819×103氯化钾用量/Kg 5.14 1.028×105 342.6磷酸二氢钾用量/Kg 0.5104 1.0208×104 34.028硫酸镁用量/Kg 4.13424 8.2684×104 275.630泡敌用量/Kg 6.38 127.6×103 425.3546玉米浆用量/Kg 4.038 8.076×

18、;104 269.213生物素用量/g 0.022968 459.36 1.5313硫酸锰用量/g 1.020 2.04×104 68.0034硫酸亚铁用量/g 1.0208 2.0416×104 68.056磷酸用量/Kg 1.276 2.552×104 85.07谷氨酸用量/Kg 820.30 106.06×105 54.689×103表3332 发酵罐的设计与选型 321发酵罐的选型 发酵罐的选型选用机械搅拌通风发酵罐。 32.2 发酵罐的生产能力、容积及个数的确定 (1) 发酵罐容积的确定：选用公称容积为450m3的发酵罐(2) 生产能

19、力的计算： 每天需糖液体积V糖为：V糖=6.38×100×99%=631.62（m3）式中 6.38生产1t味精(100%)的发酵液量，（m3）若取发酵罐的填充系数a=75%，则每天需要发酵罐总容积V0为 V糖 631.62 V0 = =842.16（m3） a 75% (3) 发酵罐个数的确定： 公称容积为450m3的发酵罐，其全容积为500m3。每日需要的发酵罐数N0为： V0 842.16 N0= = = » 2(个) V总 500共需要的发酵罐数N1为: V0t 842.16×41 N1=» 3(个) 24V总 24×500每

20、天应有2个发酵罐出料，共需要3个发酵罐。 500×75%×2×300实际产量验算： = 35622.684(t) 6.38×99% 35622.684-20000设备富余量为： = 78.11% 20000能满足生产要求。32.3 主要尺寸的计算 发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成。)m(500V2VV3=+=封筒全 为了提高空气利用率，罐的高径比取22。H=2D V全=V桶+2V封=D2 /2D+2(h+D)=500m3 4 6 椭圆形封头的直边高度忽略不计，以方便计算。)m(5002D24D2D785.0V2VV332=´p+

21、80;=+=封筒全解方程得 D=6.42（m） 取6.5（m） H=2D=13(m)圆柱部分容积V桶为： V桶=0.785D2×2D=430（m3) 上下封头体积V封为： V封= D3= 34.5（m3) 24全容积验算：V全=V桶+2V封 =430+34.5×2=499（m3)V全» V全 符合设计要求，可行 3.2.4冷却面积的确定 根据部分味精厂的实测和经验数，谷氨酸放得发酵热高峰值约4.18×6000kJ/(m3·h)8，则冷却面积按传热方程式计算如下：(3.2.4-1)2 式中 S 冷却面积，m2 Q 换热量，kJ/h Dtm 平均温

22、度差， K 总传热系数，kJ/(m2·h·) 500m3灌装液量为 500×75%=375(m3) Q=375×4.18×6000=9405000 (kJ/ h)设发酵液温度32，冷却水进口温度20，出口温度27，则平均温度差Dtm为：K值取4.18×500kJ/(m2·h·)8， )m(5.562850018.49405000tKQS2m=´´=D=3.2.5 搅拌器设计 由于谷氨酸发酵过程中有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。 该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系，

23、现将主要尺寸列后8： 搅拌器叶径Di为： )m(16.236.53DDi= 取2.2m。 叶宽B为：)m(44.02.22.0D2.0Bi=´= 弧长l为：)m(825.02.2375.0D375.0li=´= 底距C为：)m(16.236.53DC= 取2.2m。 盘径di为：)m(65.12.275.0D75.0dii=´= 叶弧长L为：)m(55.07.2225.0D25.0Li=´= 叶距Y为： Y=D=6.5 (m)以单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同这一准则进行的反应器的放大，即: 式中 n2放大的搅拌器的转速，r/min n1模型搅拌器的转

24、速，n=110r/min d1模型搅拌器直径，d=1.65m d2放大的搅拌器直径，d=2.2m2323 将各值代入上式 d1 1.65 n2=n1 =110× d2 2.2 =90.8（r / min） =1.51(r / s) 取两档搅拌，搅拌转速90.8r/min。3.2.6 搅拌轴功率的确定 (1) 不通气条件下的轴功率计算：r=53pdnNP( 式中 Np 功率数,Np=4.8 N 搅拌器的转速，n=1.51r/s D 搅拌器直径，d=2.2m 流体密度，=1070kg/m 将各值代入上式 P=NPn3d5r=4.8×（1.51）3×（2.2）5

25、5;1070 =188288.545（W） =188.288545 （ kW）(2) 通气发酵轴功率计算：39.0.、323gQndP1025.2P÷÷øöççèæ´´=- 式中 P 不通气条件下的轴功率，P=188.288545kW N 搅拌器的转速，n=90.8r/mim D 搅拌器直径，d=220cm Q 工况下的通气量， Q=500×75%×0.45=（ml/min） 将各值代入上式)kW(497.1172208.90288.1881025.2QndP1025.2P.

26、032339.0.323g=÷÷øççèæ´×´´=÷÷øöççèæ´´=-ö。390通常谷氨酸发酵按1kW/m38发酵醪；对于500m3发酵罐，装液量375m3则应选取功率172.5KW的立式电机。 本罐采用三角带传动。3.2.7 设备结构的工艺设计 (1) 空气分布器： 本罐使用单管进风，风管直径计算见3.2.11。 (2) 挡板： 本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。

27、 (3) 消泡浆： 本罐使用圆盘放射式消泡浆。 (4) 密封方式： 本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。 (5) 冷却管布置： 使用的是竖直蛇管冷却装置。3.2.8 竖直蛇管冷却装置设计(1) 求最高热负荷下的耗水量W为： 式中 Q每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积，)h/kJ(940500037560008.14Q=´´=总 Cp冷却水的比热容，Cp=4.18kJ/(kg·)8 t2冷却水终温，t2=27 t1冷却水初温，t1=20 将各值代入上式)s/kg(29.89)h/kg(57.321428)2027(18.4940

28、5000)tt(CQW12p=-´=-=总冷却水体积流量为0.0411m3/s，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积总A总为： 式中 W冷却水体积流量，W=0.1m3/s 冷却水流速，=1m/s 代入上式)m(1.011.0WA2=u=总)m(3569.0785.01.0785.0Ad=总总 取Dg350×9。 (2) 冷却管组数和管径： 设冷却管总表面积为A总，管径d0，组数为n，则 现根据本罐情况，取n=12，求管径。由上式得)m(103.0.7850121.0785.0nAd0=´=×=总查表选取108×

29、4无缝管，d内=100mm，d平均=104mm2。 现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两弯管总长度l0为：)mm(157050014.3Dl0=´=p= (3) 冷却管总长度L计算： 冷却管总面积S=562.5m2。现取无缝钢管108×4，)m(.2.1720327.05.562SSL0= 冷却管占有体积V管为：7751720)m(.15.2.108.0785.0V32=´´=管 取冷却管组n=12。 (4) 每组管长L0为：.21720)m(.35.14312.nLL0= 另需连接管4.2m，)m(.15139.24.

30、351453.24LL0=-=-=实 可排竖直蛇管的高度设为静液面高度，下部可伸入封底500mm。设发酵罐内附件占有体积为1.5m3，则总占有体积为：)m(17.255.1.75.15VV3=+=+附件管 筒体液面为：() )m(.79106.585.7034.517.25%75500SVVV%75V2=´-+´=+´截面封附件管总 竖直蛇管总高H管为：)m(.7911.01.7910H=+=管 取管间距为0.5m。 又两端弯管总长l0为：)m(57.15.014.3l0=´= 两端弯管总高1m。 则一圈管长L为：)m(26.7221.57 +11.79

31、2LH2L0=´´=+= (5) 每组管子圈数n0为：)(36.572.2635.143LLn00圈= 取6圈。()m(2.17204.21974124.212626.72L>=´+´´=实 现取管间距为：)m(27.0108.05.2D5.2=´= 竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m8。 最内层竖蛇管与罐壁的最小距离为：.)m(554.1054.015.050=+´27 与搅拌器的距离为：6.5)m(2.07462554.12.2>=- 在允许范围内。 (6) 校核布置后冷却管的实际传热面积：)m(5.562.

32、036454.21974.10404.13LdS2>=´´=´p=实平均实3.2.9 设备材料的选择 为了降低造价，本设备选用碳钢材料，精制时用除铁树脂除去铁离子。3.2.10 发酵罐壁厚的计算 根据压力容器安全技术监察规程规定，发酵罐属于一级压力容器，因此，其设计、制造、安装以及使用均须遵照该规定。设计计算须按GB150-1998钢制压力容器进行。 (1) 内压圆筒厚度计算： 式中 圆筒的设计厚度，mm p设计压力，p=0.4MPa Di圆筒的内直径，Di=6500mm T设计温度下圆筒材料的许应用力，T=124.5MPa 焊缝系数，=0.9 C1钢板的厚

33、度负偏差，C1=0.8mm C2腐蚀裕量，C2=1mm 将各值代入上式)mm(42.1318.04.09.05.124265004.0CCp2Dp21Ti=+-´´´=+-Fs=d 选用14mm厚的碳钢钢板。 (2) 椭圆形封头厚度计算： 式中 圆筒的设计厚度，mm p设计压力，p=0.4MPa Di圆筒的内直径，Di=6500mm T设计温度下圆筒材料的许应用力，T=124.5MPa 焊缝系数，=0.9 将各值代入上式)(.114.05.09.05.124265004.00.5p-2pDTi=´-´´´=Fs=d.61mm 选用12mm厚的碳钢钢板2。3.2.11 接管设计 (1) 接管的长度h设计： 各接管的长度h根据管径大小和有无保温层，进行选择。本罐的输料管可选择不带保温层的，查表5-2接管长度可取h=150mm8。 (2) 接管直径的确定： 接管直径的确定，主要根据流体力学方程式计算。 以排料管为例计算管径。本罐实装375m3，设2h之内排空，则排料时的物料体积流量qv为：)s/m(052.023600375q3v=´= 取发酵醪流速=1(m/s)，则排料管截面积A物为：)m(52.00152.00qA2v=u=物 则排料管直径d为：)m(26.085.7052.0085.70Ad=物选取