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年产10万吨味精厂发酵车间设计 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 年产年产1010万吨味精厂发酵车间设计万吨味精厂发酵车间设计 Annual Production Capacity of 100,000 Tons of Monosodium Glutamate Fermentation Plant Design Workshop 学 院： 生物与化学工程学院 专 业： 生 物 化 学 专 业 学生姓名： * 学 号： * 指导教师： 李 杰（讲师） 完成日期： 2009.5 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 年产10万吨味精厂发酵车间设计 年产年产1010万吨味精厂发酵车间设计万吨味精厂发酵车间设计 生物工程专业 * 摘摘 要要本设计的题目是年产10万吨味精厂发酵车间设计，在熟悉味精及其生产的 基础上通过比较不同工艺的优缺点，确定能满足生产任务的先进、合理的工艺 流程。根据所采用的工艺流程、该工艺对原料的利用情况确定满足生产任务所 需原料的量，然后确定所采用的设备类型、结构尺寸，同时进行所需水的衡算 ，同时确定培养基灭菌流程，然后进行所需设备的选型和计算，最后进行发酵 车间的设备布置，并制作工艺流程图和设备布置图。 关键词关键词 味精 物料衡算 发酵车间设计 设备选型 年产10万吨味精厂发酵车间设计 2 Annual Production Capacity of 100,000 Tons of Monosodium Glutamate Fermentation Plant Design Workshop Biological Engineering Major LI Ting Abstract：This design is the subject of an annual output of 100,000 tons of monosodium glutamate fermentation plant design workshop, in a familiar and monosodium glutamate production based on comparative advantages and disadvantages of different processes to determine the production tasks to meet the advanced and reasonable process. According to the process used in the process of utilization of raw materials to meet production requirements to determine the amount of raw materials, and then used to determine the type of equipment, structure, size, at the same time to carry out the necessary balance of water and steam balance, at the same time to determine medium sterilization processes, the necessary equipment and then proceed to the selection and calculation of the final fermentation workshop equipment layout, and production process flow diagram and equipment layout. Key words：Monosodium glutamate material balance fermentation workshop design equipment selection 年产10万吨味精厂发酵车间设计 1 目目 录录 前言1 1 味精生产工艺3 1.1 工艺选择 .3 1.2 原料选择 .4 1.3 菌种选择 4 1.4 培养基选择 .4 2 工艺设计6 2.1 物料衡算 6 2.1.1 工艺技术指标及基础数据 .6 2.1.2 谷氨酸发酵车间的物料衡算 7 2.2 无菌空气消耗量的计算 9 2.2.1 无菌空气消耗量计算的意义 9 2.2.2 无菌空气消耗量计算 9 2.3 设备的设计选型 .11 2.3.1 专业设备设计选型 .11 2.3.2 连续操作设备的计算和选型 .25 2.3.3非专业设备的计算和选型 28 2.4 味精厂发酵车间设备一览表 .30 2.5车间设计布置原则 31 2.6车间布置相关技术参数要求 32 2.7 设备布置说明 .33 结论.35 参考文献.36 致 谢.37 年产10万吨味精厂发酵车间设计 1 前言前言 味精是人们熟悉的鲜味剂，是世界上应用范围最广、产销量最大的一种氨 基酸类物质，是发酵工业和调味工业的主导产业。 味精的化学成分是谷氨酸钠,为白色透明有光泽的八面柱状结晶体。易溶于 水，不溶于纯酒精、醚及丙酮等有机溶剂，对光稳定，中性条件下水溶液加热 也不分解，一般情况下无毒性。 味精是重要的调味品之一，作为调味品的市售味精，为干燥颗粒或粉末， 因含一定量的食盐而稍有吸湿性，贮放应密闭防潮。商品味精中的谷氨酸钠含 量分别有90%、80%、70%、60%等不同规格，以80%最为常见，其余为精盐，食盐 起助鲜作用兼作填充剂。市场也有不含盐的颗粒较大的“结晶味精”。 据研究：味精可以增进人们的食欲，提高人体对其他各种食物的吸收能力 ，对人体有一定的滋补作用。其摄入体内后可分解成谷氨酸、酪氨酸，对人体 健康有益。但过多的食用味精就会出现一些不良反应，如头昏眼花，眼球突出 ，上肢麻木，下颌发抖，心慌气喘，晕眩无力等表现。因此，在烹制食品时， 放入味精宜适量1。 味精是世界上应用范围最广、产销量最大的一种氨基酸类物质,是发酵工业 和调味工业的主导产业。主要生产国家和地区有中国、韩国、日本、印尼、泰 国、法国、巴西和我国台湾等地，其中，亚洲的味精产量占世界总产量的90 ，而我国又是世界上最大的味精生产国之一。就人均消费量来看，我国味精消 费主要在沿海经济发达地区。据估计，北京市年消费达1.5万吨。因而预期味精 需求将有进一步的增长，我国和世界部分地区味精产品的消费潜力很大，市场 前景看好，为我国发展味精工业提供了先决条件。 我国味精的生产，从技术水平上看，与国外还有不小的差距，主要表现在 以下几个方面：菌种性能，我国平均产酸水平56%，日本1014%，糖酸转 化率，我国45左右，而日本则在5060左右；工艺和过程控制，我国普 遍采用底糖或中糖发酵，而日本已采用高糖并实行流加糖工艺；生产规模， 我国生产规模普遍较小；污染，国外已普遍对味精废液进行了综合利用，我 国在培养单细胞蛋白方面取得了一定的成功。 经过近年来引进国外技术和技术改进，缩短了我国与国外先进水平的差距 。主要表现在以下几个方面: （1）技术提高。谷氨酸平均产酸率从4.58%提高至8.46%，糖酸转化率从38.24% 提高到54.07%，提取率从77.87%提高到89.22%，精制率得从89.51%提高到93.50 %。均已达到或接近世界先进水平。 （2）发酵设备发展朝向大型化。多数味精厂已淘汰了75m3、的发酵罐，广泛采 年产10万吨味精厂发酵车间设计 2 用100m3至200m3的中型罐。1997年,珠海益力味精厂已建立全国最大容量660m3的 发酵罐，产酸率达到10以上。等电点罐从原来的50 m3,发展至现时的200m3；离子交换柱由1.2m扩大到6.0m；味精结晶缸由610m3 扩大到1225m3。 （3）工艺改进。味精生产糖化工艺，1994年，全行业由酸法过渡到酸酶、酶酸 法，并采用连续喷射液化，使淀粉糖化收率从90左右提高到9798，味 精总收率提高4，全行业年增产味精2万多吨，糖液含糖由18- 20提高到3036，为酶发酵产酸创造了有利的条件。 （4） 开发替代原料,降低生产成本。我国味精生产均以淀粉为原料。成本相对 比较高，如全部改用玉米代替大米做原料，每吨味精成本由比国际同行业先进 水平高1000元有望降到比国际同行业先进水平低2000元的水平，同时可大大减 少生产所形成的有机废水、废渣，实现清洁生产。 （5） 环保问题，味精行业已成为国家限期治理三河三湖地区的重点行业之一。目前 全国主要味精十几个企业基本上实施了废水达标排放。无锡轻工业大学研制的 味精封闭循环的清洁生产工艺，在青岛味精厂中试的基础上，在菱花味精厂进 行2 万吨味精规模的生产性试验，取得满意结果2。 本设计主要研究以玉米为原料进行发酵生产味精的过程。主要涉及菌种的 选育、谷氨酸发酵设备的设计和选型，及发酵条件的控制等方面的内容。关键 的问题是工艺流程的选择和确定，这关系到味精产量的多少和质量的好坏，因 此工艺流程的确定必须要选择先进、经济的工艺流程。其次就是车间设备的布 置，车间设备布置得好坏直接关系着整个工厂的生产效率和能力的耗损，因此 必须要慎重解决。最后争取在工艺上力求其合理性和先进性，在设备上尽量采 用先进的生产设备，生产过程机械化、自动化，减轻繁重的体力劳动，提高劳 动生产率，在技术上尽量采用已成熟的生产技术，使建厂后即能顺利投产，并 能达到设计能力。 年产10万吨味精厂发酵车间设计 3 1 1 味精味精生产工艺生产工艺 1.11.1 工艺选择工艺选择 目前国内正在采用的谷氨酸发酵工艺有酸解法、双酶法、酶酸法等三种， 此三种发酵工艺各有优缺点。选择发酵工艺时应该根据具体情况，如所用的原 料、发酵设备、提取工艺、水、热量等条件来决定1。无论采用哪一种工艺 都必须达到提高效率、降低单耗、降低成本，而不能片面追求某一项高指标， 必需考虑综合效益。 图1 发酵法制造谷氨酸的工艺流程 Figure 1 Glutamic Acid Fermentation Process to Create 目前谷氨酸的生产方法主要有三种： 蛋白质水解法：植物蛋白水解提取，甜菜糖蜜中提取； 合成法：以化工原料丙烯腈、糖醛、环戊二烯为原料合成； 发酵法：以淀粉（或糖蜜）为原料，经糖化、发酵、谷氨酸提取后用谷氨酸制 淀粉水解糖或糖蜜 配料 发酵二级种子一级种子菌种 晶种 等电点提取 离心分离 谷氨酸 成品（味精） 中和、脱色 干燥 真空煮晶 筛分 分离 母液上离子交换柱洗脱 年产10万吨味精厂发酵车间设计 4 造味精。 蛋白质水解制造味精是最古老的一个方法，其优点是水解操作易于掌握， 但原料来源少，价格高，得率低，对设备腐蚀性打，劳动繁重，故此法目前已 极少使用；合成法的优点是不用粮食原料，但需要高温高压，设备要求高、严 密性好，不适于一般工厂生产；目前，国内谷氨酸（味精）的生产已全部采用 发酵法，而且多以淀粉为原料，仅有少数工厂采用糖蜜作为原料。这个方法的 优点是： 原料来源丰富，含糖原料、碳氢化合物等经微生物发酵均可获得需要的产品， 不像水解法那样，只能利用蛋白质为原料。 得率高，成本低。按目前发酵水平，每100kg糖发酵转化为谷氨酸可达45kg左右 ，如用碳氢化合物转化率可高达70%以上，成本较水解法低50%以上。 有利于机械化自动化生产，劳动强度降低，生产率较高1。 发酵法生产味精的全过程可划分为四个工艺阶段:原料的预处理及淀粉水 解糖的制备;种子扩大培养及谷氨酸发酵;谷氨酸的提取;谷氨酸制取味精 及味精成品加工。 与这四个工艺阶段相对应味精生产厂一般都设置了糖化车间、发酵车间、 提取车间和精制车间作为主要生产车间。另外，为保障生产过程中对蒸汽的需 求，同时还设置了动力车间，利用锅炉燃烧产生蒸汽，并通过供气管路输送到 各个生产需求部位。为保障全厂生产用水，还要设置供水站。所供的水经消毒 、过滤系统处理，通过供水管路输送到各个生产需求部位4。 1.21.2 原料选择原料选择 河南省是华北黄淮主要玉米产区之一，而且是全国的农业大省，其玉米产 量更是全国之最。由此可知，选用玉米做原料既满足要求又可以节省很大的原 料投资。 1.31.3 菌种选择菌种选择 目前国内各味精厂使用的谷氨酸生产菌株主要有：北京棒杆菌（AS.1299） 、7338、S941、D110、WTH1;钝齿棒杆菌（AS1.542）、HU7251、B9、F 263；天津短杆菌（T613）、FM8207、FM415、U9、D85等菌株。 通常选用B9菌株作为发酵用菌种，7338菌株作为B9菌株感染噬菌体后的备 用调换菌种。 1.41.4 培养基选择培养基选择 种子培养基 年产10万吨味精厂发酵车间设计 5 国内谷氨酸发酵种子扩大培养普遍采用二级种子培养的流程，即：斜面菌 种一级种子培养二级种子培养发酵罐。 一级种子培养 一级种子培养的目的在于大量繁殖活力强的菌株，培养基组成应以少含糖 分，多含有机氮为主，培养条件从有利于长菌考虑。 二级种子培养 为了获得发酵所需要的足够数量的菌体，在一级种子培养的基础上进而扩 大到种子罐的二级种子培养。种子罐容积大小取决于发酵罐大小和种量比例。 发酵培养基 与种子培养基不同，发酵培养基不仅是供给菌体生长繁殖所需要的营养和 能源，而且是构成谷氨酸的碳架来源，要积累大量谷氨酸，就要有足够量的碳 源和氮源，其量大大的高于种子培养基。 培养基灭菌方法的选择 中小规模的味精厂培养基灭菌多采用实罐间歇灭菌，以简化操作手续。规 模较大的厂则考虑连续灭菌以提高经济效益。 连续灭菌也叫连消，其温度一般以126132 为宜，总蒸汽压力要求达到0.0440.049 MPa以上。 本设计采用连消塔-喷淋冷却流程2。 图2 连消塔-喷淋冷却流程图 Figure 2 Even Eliminate Spray Cooling Tower Flow Chart 年产10万吨味精厂发酵车间设计 6 2 2 工艺设计工艺设计 2.12.1 物料衡算物料衡算 年产10万吨味精工厂发酵车间物料平衡时工艺计算的基础，它是工艺设计 工作从定性分析进展到定量计算的开端。 一旦选定了生产方法并完成了工艺流程示意图的设计后，就可以进行物料 平衡计算，通过物料平衡计算可以求出生产过程中原料、中间体和产品等进出 生产设备的物料的成分、重量和体积，进而计算出生产产品的原料消耗定额以 及单位时间内（日或年）原料的消耗量，成品的产量和副产物、废物等物料的 排出量。 根据物料平衡计算的结果可以确定生产设备的容量、设备的台数和主要尺 寸，进行工艺流程草图的设计和水、蒸汽、热量、无菌空气消耗量等地计算。 物料平衡计算的基本依据是质量守恒定律，即引入各设备的全部物料质量必须 等于离开该设备的全部物料质量和物料损失之和。 2.1.12.1.1 工艺技术指标及基础数据工艺技术指标及基础数据 （1）主要技术指标如下表所示3： 表1 谷氨酸发酵工艺技术指标 Table 1 Specifications of Glutamic Acid Fermentation Process 指标名称单位指标数 生产规模 t/a 100000（味精） 生产方法中糖发酵，等电点离子交换提取 年生产天数 d/a300 产品日产量 t/a334 产品质量纯度% 99 倒灌率 %0.2 发酵周期 h48 年产10万吨味精厂发酵车间设计 7 发酵初糖 Kg/m3150 淀粉糖转化率 %108 糖酸转化率 %60 谷氨酸含量 %95 谷氨酸提取率 %95 味精对谷氨酸产率 %122 （2）主要原材料质量指标 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，糖蜜20，尿素3.5，磷酸氢二钾1.0，硫酸镁0.6，玉米浆510，泡 敌0.6，硫酸锰0.002，硫酸亚铁0.002，生物素0.02。 （4）发酵初始培养基（g/L）水解糖150，糖蜜4，硫酸镁0.6，氯化钾0.8，磷 酸0.2，硫酸亚铁0.002，硫酸锰0.002，尿素（总尿）40，泡敌1.0，生物素0.0 2 （5）接种量为8% 。 2.1.22.1.2 谷氨酸发酵车间的物料衡算谷氨酸发酵车间的物料衡算 首先计算生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原辅材料及其他物料量。 （1）发酵液量V1 3 1 55 . 6 %122% 8 . 99%95%602201000 m V 式中 220发酵培养基初糖浓度（kg/m3） 60%糖酸转化率 95%谷氨酸提取率 99.8%除去倒灌率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G1 以纯糖算 )(1441220 11 kgVG （3）二级种液量 V2： 3 12 524. 0%8mVV （4）二级种子培养液所需水解糖量 G2： 3 22 2 . 2650mVG 式中 50二级种液含糖量（kg/m3） （5）生产1000kg味精需水解糖总量G为： kgGGG2 .1467 21 （6）耗用淀粉原料量 理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故耗用的淀粉量G淀粉为： 年产10万吨味精厂发酵车间设计 8 kg 9 . 1529 %111%081%80 2 . 1467 淀粉 G 式中 80%淀粉原料含纯淀粉量 108%淀粉糖转化率 （7）尿素耗用量 二级种液耗尿素量为V3： kgVV834 . 1 5 . 3 23 发酵培养基耗尿素为V4 ： kgVV26240 14 故共耗尿素量为263.834kg （8）糖蜜耗用量 二级种液耗用糖蜜量V5： kgVV48.1020 25 发酵培养基耗糖蜜量V6： kgVV2 .264 16 合计耗糖蜜36.68kg （9）氯化钾耗量GKCl： kgVGKCl24 . 5 8 . 0 1 （10）磷酸氢二钠（Na2HPO47H2O）耗量G3： kgVG55 . 6 0 . 1 13 （11）硫酸镁（MgSO47H2O）用量G4： kgVVG24 . 4 6 . 0 214 （12）消泡剂（泡敌）耗用量G5： kgVG55 . 6 0 . 1 15 （13）玉米浆耗用量（8 g/L） kgVG19. 48 26 （14）生物素耗用量 G7： kgVVG0236 . 0 02 . 0 002 . 0 217 （15）硫酸锰耗用量G8 二级种液耗用糖蜜量 kgVG048 . 1 002 . 0 2 8 发酵培养基耗糖蜜量 kgVG0131 . 0 002 . 0 1 8 故共耗硫酸锰量为1.06 kg （16）硫酸亚铁耗用量G9 二级种液耗用糖蜜量 kgVG048 . 1 002 . 0 2 9 发酵培养基耗糖蜜量 kgVG0131 . 0 002 . 0 1 9 故共耗硫酸亚铁量为1.06 kg 年产10万吨味精厂发酵车间设计 9 （17）磷酸耗用量G10： kgVG31 . 1 2 . 0 110 （18）谷氨酸（麸酸）量G11 发酵液谷氨酸含量为： kgG 9 . 862%2 . 01%60 1 实际生产的谷氨酸（提取率95%）为： kg 8 . 819%95 9 . 862 （19）植物油耗用量G12： kgVG55 . 6 0 . 1 112 具体计算结果如表 表2 100000t/a味精厂发酵车间的物料衡算 Table 2 100000t / a Monosodium Glutamate Factory Fermentation Plant Material Balance 物料名称生产1t味精（100 %）的物料量 100000t/a味精生 产的物料量 每日物料量 发酵液（m3） 6.556.551052183.34 二级种液（m3） 0.5245.24104174.67 发酵水解用糖（kg） 14411.4411084.8105 二级种培养用糖（kg ） 26.22.621068733.34 水解糖总量（kg） 1467.21.471084.9105 淀粉用量(kg) 1529.91.531085.10105 尿素用量 263.842.641078.8104 糖蜜用量（kg） 36.683.6710612240 氯化钾用量（kg） 5.245.241051746.67 磷酸氢二钠用量（kg ） 0.5245.241041746.67 硫酸镁用量（kg） 4.244.241051413.34 泡敌用量（kg） 6.556.551052183.34 植物油用量（kg） 6.556.551052183.34 生物素用量（kg） 0.02362.361037.87 玉米浆用量（kg） 4.194.191051396.67 硫酸锰用量（kg） 1.06111.0611105353.7 硫酸亚铁用量（kg） 1.06111.0611105353.7 磷酸用量（kg） 1.311.31105436.67 谷氨酸用量（kg） 819.88.198107273.27103 年产10万吨味精厂发酵车间设计 10 2.22.2 无菌空气消耗量的计算无菌空气消耗量的计算 2.2.12.2.1 无菌空气消耗量计算的意义无菌空气消耗量计算的意义 大多数微生物的生长、繁殖和代谢都需要氧的存在，尤其是好氧培养过程 更是需要消耗大量的氧，氧有时甚至是影响发酵生产的制约因素。在好氧发酵 过程中，要使发酵液保持一定的溶氧浓度，就必须向反应系统通入大量的无菌 空气，以保证发酵液有一定的溶氧浓度，使发酵过程得以顺利进行。通过无菌 空气用量的计算，可以确定与发酵设备配套的压缩机的选型与台数，并进行空 气过滤除菌系统的设计3。 2.2.22.2.2 无菌空气消耗量计算无菌空气消耗量计算 发酵工业技术指标及基础数据 生产一吨味精的发酵液量：6.55m3 二级种子液：0.524m3 发酵时间：38h 发酵周期（含清洗、灭菌等）：48h 发酵罐公称容积：500 m3 发酵罐装料系数：70 发酵过程无菌空气用量计算 发酵车间无菌空气消耗量主要用于谷氨酸发酵过程通风供氧，其次是种子 培养的通气以及培养基压料输送。此外，因设备和管路、管件等的消毒吹干以 及其他损耗也构成无菌空气的消耗量。 单罐发酵无菌空气耗用量 由经验数据可知，500 m3规模的通风搅拌发酵罐的通气率为0.15VVm。 单罐发酵过程用气量： V=500700.1560=1050 (m3h) 单罐年用气量：Va=V38150=6106m3 式中 150每年单罐发酵批次 种子培养等其他无菌空气耗量 二级种子培养是在种子罐中进行的，可根据接种量、通气速率、培养时间 等进行计算，但通常的设计习惯是把种子培养用气、培养基压送及管路损失等 算作一次。一般取这些无菌空气消耗量之和约等于发酵过程空气耗量的25， 故 无菌空气耗量为：V=25V=262.5(m3h) 每年用气量为：Va=25Va12=2.1107 m3 式中 12发酵罐个数 年产10万吨味精厂发酵车间设计 11 发酵车间高峰无菌空气消耗量 Vmax=12(V+V)=12（1050+262.5）=18375(m3h) 发酵车间无菌空气年耗用量 Vt=12150(V+V)38=1.05108(m3) 发酵车间无菌空气单耗 根据设计，实际味精年产量为： G=55070%73006.55=1.24105（ta） 故发酵车间无菌空气单耗为： V0= VtG=846.8（m3t) 1000000ta味精厂发酵车间无菌空气衡算表 根据上述计算，得出1000000ta味精厂发酵车间无菌空气用量衡算表。 表3 发酵车间无菌空气衡算表 Table 3 Fermentation Plant Sterile Air Balance Sheet 发酵罐公称 容积(m3) 单罐通气 量(m3h) 种子培养耗 气量(m3h) 高峰空气耗量 (m3h) 年空气耗量 (m3h) 空气单耗m3t 味精 5001050262.5183751.05108846.8 发酵罐装料系数为70%，发酵周期为40h，年生产天数为300天，实际生产能 力为1.24105ta，公称容积为500 m3，全容积为550 m3。 2.32.3 设备的设计选型设备的设计选型 通常，发酵工厂所涉及的设备分为专业设备、通用设备和非标准设备。专 业设备是指发酵罐、糖化锅等专业性较强、仅为发酵工厂使用的设备；泵、风 机等各行各业都可以使用的设备成为通用设备；非标准设备是指生产车间的贮 藏、池子等设施。因本设计只涉及发酵车间，故主要介绍发酵车间设备的工艺 设计与选型。 热量衡算是工艺设计中的重要内容，它可以为过程设计和操作提供依据， 是组织管理、经济核算和最优化的基础。通过热量衡算可以计算出生产过程的 能耗，应用蒸汽消耗量等指标，对工艺设计的多种方案进行比较，从而选定先 进的生产工艺，或对生产过程提出改造或革新。分析生产过程的经济合理性、 过程的先进性，从而找出生产上的问题，进而予以改进。同时，热量衡算还可 为设备的造型及其尺寸、台数的确定提供依据。总之，热量衡算的结果有助于 生产工艺流程和设备的选择、改进，达到节约能源、降低生产成本、优化生产 的目的。 2.3.12.3.1 专业设备设计选型专业设备设计选型 年产10万吨味精厂发酵车间设计 12 年产10万吨99%纯度的味精厂，其中发酵设备为间歇操作，灭菌设备为连续 操作。 发酵罐 （1）发酵罐的选型 当前，好气发酵罐的各种罐型纷纷出现，我国谷氨酸发酵占统治地位的发 酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐。选用这种发酵罐的原因主要是：历史悠久 ，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。 （2）生产能力、数量和容积的确定 发酵罐容积的确定：选用500m3罐 生产能力的计算： 现每天生产99%纯度的味精334t，每吨100%的味精需糖液6.55m3，谷氨酸的 发酵周期为48h(包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间)。则每天需 糖液体积为V糖 ： 3 m 8 . 1652%993436.55 糖 V 设发酵罐的填充系数=70%；则每天需要发酵罐的总容积为V0（发酵周期为48h ）： 3 0 m3094 0.7 2165.8 / 糖 VV 发酵罐个数的确定5：公称容积为500m3的发酵罐，全容积为550 m3 个 全 糖 4 .11 247 . 0505 48 8 . 1652 24V 1 V N 取公称容积500 m3 发酵罐13个，其中一个留作备用。 实际产量验算： at / 2 . 104970300 %9955 . 6 67 . 0550 富裕量： %97 . 4 100000 1000002 .104970 能满足生产要求。 （3）主要尺寸的计算： 按全容积550 m3的发酵罐进行计算，取高径比 H：D=1.8：16 ； 封筒全 3 m5052VVV 则有： 5502 24 8 . 1785 . 0 32 DDDV 全 年产10万吨味精厂发酵车间设计 13 得：，H=1.8D=12.4m； mD9 . 6 673 . 1 550 3 根据经验数据知 封头高： mmH1750501700 封 上、下封头容积 ： V上= V下=D324=42.97（m3） 圆柱部分容积： V筒=0.785 D3 H=464.3（m3） 验算全容积V全： V全= V筒+2 V封=464.3+42.972=549.79550（m3） V全=V全 符合设计要求，可行。 （4）冷却面积的计算 为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境气温最高时也能冷 却下来，必须按发酵生成热量高峰，一年中最热的半个月的气温下，冷却水可 能达到最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。 计算冷却面积使用牛顿传热定律8，即：。 m tK Q F 对谷氨酸发酵，每1m3发酵液在每1h传给冷却器的最大热量约为4.186000kJ/( m3h) 8。 采用竖式列管换热器，取经验值K=4.18500 kJ/(m3h) 8。 平均温差tm8： 2 1 21 m t t ln tt t 32 32 20 27 12 5 代入 年产10万吨味精厂发酵车间设计 14 8 5 12 ln 512 tm 对公称容量500 m3的发酵罐，每天装6罐，每罐实际装液量为 3 9 .360 6 8 . 2165 m 换热面积 2 35.541 850018 . 4 9 . 360600018 . 4 m tK Q F m Q换热器的热负荷，kJ/h K局部总传热系数，kJ/(m2h) F换热面积，m2 tm平均温差， （5）搅拌器设计 机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种形式，由于谷氨酸发酵过程有中间 补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器6。 该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系5: Di:di:L:B=20：15：5：4 搅拌器叶径 m D Di3 . 2 3 9 . 6 3 取d=2.3（m） 叶宽 ： mdB46 . 0 3 . 22 . 02 . 0 弧长： mdl8625 . 0 3 . 2375 . 0 375 . 0 底距： m D C3 . 2 3 9 . 6 3 盘径 ： mDd ii 725 . 1 3 . 275 . 0 75 . 0 叶弦长： mDL i 575 . 0 3 . 225 . 0 25 . 0 叶距 ： mDY9 . 6 弯叶板厚： =14（mm） 取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，搅拌转速N1=110r/min 。以等P0/V为基准6放大可求得： 年产10万吨味精厂发酵车间设计 15 min/65 3 . 2 05 . 1 110 3/2 3/2 2 1 12 r D D NN （6）搅拌轴功率的计算 通风搅拌发酵罐淀粉水解糖液低浓度细菌醪可视为牛顿流体。 计算Rem3 ND m 2 Re 式中 D搅拌器直径，D=2.3m N搅拌器转速，srN/08 . 1 60 65 醪液密度，=1050 kg/m3 醪液粘度， =1.310-3Ns/m2 将数代入上式： 46 3 2 10106 . 4 103 . 1 105008 . 1 3 . 2 Re m 视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7 计算不通气时的搅拌轴功率P03： 53 0 DNNP P 式中 Np在湍流搅拌状态时其值为常数4.7 N搅拌转速，N=65r/min=1.08r/s D搅拌器直径，D=2.3m 醪液密度，=1050kg/m3 代入上式： kWW P 400100 . 4 10503 . 208 . 1 7 . 4 5 53 0 两挡搅拌，kWPP8002 00 计算通气时的轴功率Pg3 kW Q NDP Pg 39 . 0 08 . 0 32 03 1025 . 2 式中 P0不通气时搅拌轴功率（kW），kWP 522 0 104 . 6800 年产10万吨味精厂发酵车间设计 16 N轴转速，N=65r/min D搅拌叶轮直径（cm），D3=2.33106=1.2107 cm Q通风量（ml/min） 设通风比VVm=0.110.18，取底限，通风量变大，Pg变小，为安全。 现取0.11，则： Q=3500.11106=8.7106（ml/min） 57. 3107 . 8 08. 0 608 . 0 Q 代入上式，得： kW Pg 6 . 75 57 . 3 102 . 165104 . 6 1025 . 2 39 . 0 75 3 求电机功率P电3： 01 . 1 P 321 g 电 P 采用三角带传动1=0.92；滚动轴承2=0.99，滑动轴承3=0.98；端面密封增 加功率为1%9；代入公式数值得： kWP78.201 . 1 98. 099 . 0 92 . 0 75.6 电 （7）设备结构的工艺计算 空气分布器：本罐采用单管进风，风管直径2196mm5。 挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板 密封方式：本罐采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。 冷却管布置：采用竖式蛇管9 . 最高热负荷下的耗水量W5： 12 ttc Q W P 总 式中 Q总每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积 hkJQ/1005 . 9 9 . 603600018 . 4 6 总 cp冷却水的比热容，4.18kJ/（kgK） t2冷却水终温，t2=27 t1冷却水初温，t1=20 将各值代入上式 年产10万吨味精厂发酵车间设计 17 skghkg W / 9 . 85/101 . 3 202718 . 4 1005 . 9 5 6 冷却水体积流量为8.5910- 2m3/s，取冷却水在竖直蛇管中的流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总 截面积S总为： v W S 总 式中 W冷却水体积流量，W=8.5910-2m3/s V冷却水流速，v=1m/s 代入上式： 22 2 m1059 . 8 1 1059 . 8 总 S 进水总管直径 ： m331 . 0 785 . 0 1059 . 8 785 . 0 2 总 总 S d 冷却管组数和管径： 设冷却管总表面积为S总，管径d0，组数为n，则： 取n=40，求管径。由S总=n0.785d022： m n S d 053 . 0 785 . 0 40 1059 . 8 785. 0 2 0 总 查金属材料表选取633.5mm无缝管10， mmd56 内 ，认为可满足要求，。 0 dd 内 mm06 平均 d 现取竖式蛇管端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管 总长度为： 0 l mmDl157050014 . 3 0 冷却管总长度L计算： 由前知，冷却管总面积 2 35.541mF 现取无缝钢管633.5mm，每米长冷却管冷却面积为： 年产10万吨味精厂发酵车间设计 18 2 0 19 . 0 106 . 0 14 . 3 mF 则: m F F L2850 19. 0 35.541 0 冷却管占有体积： 32 88 . 8 2850063 . 0 785 . 0 mV 每组管子圈数n0： 圈4 7 . 18 25.71 0 0 l L n 现取管间距为：，竖式蛇管与罐壁的最小距离 mD16. 0063 . 0 5 . 25 . 2 外 为0.15m，则可计算出与搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。 .校核布置后冷却管的实际传热面积5： 2 5 .544890206. 014. 3m LdF 实平均实 式中L实=L+40=2890（m2），其中40是接管，取得经验值。 而前有F=541.35m2，可满足要求。FF 实 （8）设备材料的选择5 选用A3钢制作，以降低设备费用。 （9）发酵罐壁厚的计算 计算法确定发酵罐的壁厚S5 （cm） C P PD S 2 式中 P设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa D发酵罐内经，D=690cm A3钢的应用应力，=127MPa 焊接缝隙， =0.7 C壁厚附加量（cm） 321 CCCC 式中 C1壁厚负偏差，通常为壁厚的10%15%（mm），现取C1=0.8mm C2为腐蚀余量，现取C2=2mm C3加工减薄量，现取C3=0 年产10万吨味精厂发酵车间设计 19 cmmmC28 . 0 8 . 2028 . 0 cmS84 . 1 28 . 0 4 . 07 . 01272 6904 . 0 选用19mm厚A3钢板制作。 （10）支座选择 对于75 m3以上的发酵罐，由于设备总重量较大，应选用裙式支座，所以本设计选用裙 式支座。 种子罐 由试管斜面保藏的菌种挑取一接种环的纯种，繁殖成能够供大规模生产需 用的数百以至数千升种子的数量，其中必须经过若干扩大培养阶段。一般的工 艺流程为：试管斜面菌种试管斜面活化培养三角瓶摇床培养（一级种子） 种子罐培养（二级种子）1。 二级种子罐 （1）二级种子罐的选型 二级种子罐选型同发酵罐，仍采用机械搅拌通风发酵罐。 （2）二级种子罐容积和数量的确定 二级种子罐容积的确定： 接种量为8%计算，则种子罐容积V种为： 3 m44%2055%8 全种 VV 式中 V全发酵罐总容积（m3） 二级种子罐个数的确定：种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上6罐，需 二级种子罐6个。种子罐培养8h，辅助操作时间810h，生产周期1618h，因 此，二级种子罐6个已足够。 主要尺寸的确定 二级种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。 H：D=1.8：1，则种子罐总容积量V总为： 2 封筒总 VVV 简化方程如下： 323 448 . 1785. 0 24 2mDDDV 总 解方程得: D=2.98m,H=1.8D=5.36（m） 单个封头容量： 年产10万吨味精厂发酵车间设计 20 323 64 . 3 025. 0785. 0 24 mDDV 封 圆筒容量 ： 32 m 4 . 378 . 1785 . 0 DDV筒 校核种子罐总容积V总： 3 68.44 4 . 3764 . 3 22mVVV 筒封总 比需要的种子罐容积44 m3大 ，可满足设计要求。 冷却面积的计算 采用夹套冷却 发酵产生的总热量： hkJ Q /1081 . 1 %89 .603600018 . 4 5 总 夹套传热系数5： hmkJK 2 /25015018 . 4 现取K=4.18220kJ/（m2h） 平均温差：发酵温度32；水初温2023，取23；水终温27，则 平均温差： 7 2 59 m t 需冷却面积F： 2 5 2 . 28 722018. 4 1081. 1 m tK Q F m 总 设备材料的选择 采用A3钢制作 设备结构的工艺设计 挡板：根据全挡板条件6，5 . 0Z D B 式中 B挡板宽度， B（0.10.12）D=（0.10.12）2980=298357.6mm 在此B取298 mm D罐径 D2980mm Z挡板数： 5 298 2980 5 . 05 . 0 B D Z 取Z6块 年产10万吨味精厂发酵车间设计 21 搅拌器： 二级种子罐仍采用六弯叶涡轮搅拌器，该搅拌器虽然没有标准化的规定， 但有公认的比例尺寸： 直径： Di0.30.35D 现取： mmDDi1043298035 . 0 35 . 0 叶片宽度： mmDh i 20910432 . 02 . 0 弧长： mmDr i 3921043375 . 0 375 . 0 盘径： mmDi783104375 . 0 75 . 0 叶弦长： mmDl i 261104325 . 0 25 . 0 搅拌器间距： mmDY i 1043 底距： m D d i 348 3 搅拌器转速N2，根据50L罐，470r/min，使用P0/V为基准放大6，50L罐N1 470r/min， 搅拌器直径Di=112mm min/106 1043 112 470 3/2 3/2 2 1 12 r D D NN 两挡搅拌。 搅拌轴功率的计算 淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流