味精发酵设计.doc

化学化工学院生物与制药工程系生物工艺学课程设计题 目： 年产4500吨的味精发酵罐的设计 姓 名： 郝嘉斌 学 号： 2013003174 专 业： 生物工程1301 指导教师： 赵秋勇 20 17 年 1 月 13 日 目 录 目 录2第一章 设计依据、设计原则31.1 概述31.2 设计依据31.3 设计原则3第二章 设计内容42.1生物反应器的类型、材质、反应温度和反应压强的确定42.2 物料衡算及发酵罐的主要设计42.2.1 工艺技术参数42.2.2 物料衡算52.3 发酵罐的设计92.3.1 发酵罐公称容积的确定92.3.2 发酵罐各部主要尺寸计算102.3.3 发酵罐的通气设计112.4 生物反应器传动形式的设计142.5 热量衡算152.5.1 冷却面积的计算152.5.2 淀粉液化工序的热量衡算162.5.3 液化液糖化过程的热量衡算172.5.4 连续灭菌和发酵工序的热量衡算172.6 搅拌器的类型，由搅拌器转速进行搅拌功率、搅拌轴直径的计算的确定192.6.1 搅拌器类型的确定192.6.2 搅拌轴功率的计算202.7 其它辅助设备的设计与选型212.7.1 糖化工序的用水量212.7.2 连续灭菌及发酵工序的用水量212.7.3 设备结构的辅助工艺设计222.7.4 发酵罐辅助尺寸的计算232.7.5 冷却装置的设计242.7.6 设备材料的选择252.7.7 发酵罐支座选择26参 考 文 献27 第一章 设计依据、设计原则1.1 概述设计味精生产全过程可划分为四个工艺阶段：（1）原料的预处理及淀粉水解糖的制备；（2）种子扩大培养及谷氨酸发酵；（3）谷氨酸的提取；（4）谷氨酸制取味精及味精成品加工。本设计的任务是对一个年产一万吨的味精厂前两个阶段的工艺进行设计，主要是谷氨酸发酵阶段的设计。设计的内容包括：1）确定生物反应器的类型、材质、反应温度和反应压强；2）进行物料衡算，确定反应器的公称容积和反应器各部主要尺寸；3）生物反应器通气和搅拌装置的设计，确定通气量和通气管内径；4）生物反应器传动形式的设计，能防止染菌和微生物污染；5）进行热量衡算，由换热器类型和进出料温度进行换热器传热面积的计算；6）确定搅拌器的类型，由搅拌器转速进行搅拌功率、搅拌轴直径的计算；7）其它辅助设备的设计与选型；1.2 设计依据 1.发酵工厂工艺设计概论 北京 中国轻工业出版社 2008 2.谷氨酸工程设计统一技术规定 北京 轻工业出版社 1999 3.化工工厂初步设计内容深度的规定 北京 轻工业部颁发 2001 4.化工厂公用设施设计手册 北京 化学工业出版社 2005 5.采暖通风及空气调节设计手册 北京 建筑工业出版社 2006 1.3 设计原则1.查阅大量文献，加大科技含量，采用先进、可靠、合理、经济的工艺。2.贯彻符合实际、多向思考、反复求证的思想充分利用现有的资源、条件、设施，努力降低成本，达到符合技术经济的设计标准。3.在符合实际的前提下，积极采用国内新技术、新设备，在节能降耗方面采取有效措施。4.坚持环境保护“三同时”，采取可靠的治理措施，强化洁净工艺技术，做到达标排放 第二章 设计内容 2.1生物反应器的类型、材质、反应温度和反应压强的确定设计生产规模为年产4500吨纯度99%味精发酵罐。使用机械搅拌发酵罐生产。材质选用碳钢。发酵罐设计在太原地区使用，综合当地气温和谷氨酸发酵温度，确定发酵罐的工作温度在32到34。谷氨酸发酵为低压发酵，设计压力为0.4MPa，反应压力0.4Mpa。表1 设计条件表序号项目数值1名称谷氨酸发酵罐2用途99%味精的生产3反应压力（MPa）0.44工作温度（）32到345公称容积（m3）506装量系数0.757工作地点太原市（室外） 2.2 物料衡算及发酵罐的主要设计2.2.1 工艺技术参数（1）生产基础数据：生产规模： 4500吨年 生产规格： 纯度为99的味精生产方法： 以工业淀粉为原料、双酶法糖化、低温浓缩、等电提取生产天数： 300天年倒罐率： 1%发酵周期： 40小时 生产周期： 48小时种子发酵周期： 8小时种子生产周期： 16小时原料淀粉含量： 80发酵醪初糖浓度: 150 kg/m3淀粉糖转化率： 95糖酸转化率： 50 谷氨酸提取收率： 80味精对谷氨酸精制收率：112发酵罐接种量： 2发酵罐填充系数： 75（2）种子培养基：种子培养基(g/L)：水解糖：25，糖蜜：20，玉米浆：10，MgS04：0.4，MnSO4：0.002，FeSO4：0.002，K2HP04：1，尿素：3.5，消泡剂：0.3，泡敌：0.6（3）谷氨酸发酵菌株:谷氨酸发酵菌株:目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。本次选用北京棒杆菌AS1.229及其诱变株D110等菌株。（4）发酵培养基：发酵培养基(g/L)： 水解糖：150，糖蜜：3， MgS04： 0.4，KCl1.2，Na2HP04：0.2，MnSO4：0.002，FeSO4：0.002，尿素：40，消泡剂：4，泡敌：0.62.2.2 物料衡算表2 主要技术指标生产规模4500t/a发酵初糖150%生产方法中糖发酵，一次等电点提取发酵罐接种量2%年生产天数300d/a淀粉糖化转化率95%产品日产量15t/d糖酸转化率50%产品质量纯度99%麸酸谷氨酸含量90%倒灌率1%谷氨酸提取率80%生产周期48h味精对谷氨酸产率112%主要原材料质量指标 淀粉原料的淀粉含量为80%，含水14%。2.2.2.1 淀粉制糖工艺的物料衡算淀粉浆量及加水量 味精生产过程中，淀粉加水的比例为1：2.5，即1000kg的工业淀粉调浆时的加水量为2500kg，由此制得的淀粉浆量为3500kg.淀粉浆中干物质（淀粉）的浓度 100086%/3500=24.57%液化用酶的量 淀粉液化用酶是-淀粉酶，其用量为淀粉浆的0.017%，即-淀粉酶的用量为： 35000.017%=0.6（kg）一般来说，CaCl2的加入量是淀粉浆量的0.043%，那么CaCl2量 35000.043%=1.5（kg）糖化酶的用量 糖化酶的用量是淀粉浆量的0.043%，即糖化酶量： 35000.043%=1.5（kg）制得的24%糖化液的量为： 100086%1.1198%/24%=3898(kg)24%的糖液的相对密度为1.09，那么糖化液的体积就为： 3898/1.09=3576(l)加珍珠岩量和滤渣量 淀粉需加入珍珠岩进行助滤，加入量为糖化液的0.15%，即： 38980.15%=5.85（kg）而过滤后的滤渣是含水70%的废珍珠岩，滤渣量有： 5.85/(1-70%)=19.5(kg) 生产过程进入的蒸汽和洗水量 3898+19.53500（0.6+1.5+1.5）5.85=408.05(kg)其中淀粉原料每日用量为39000kg，则根据比例可得表3 糖化过程物料表进入糖化过程的物料离开糖化过程的物料项目物料比例（kg）日投料量（kg）项目物料比例（kg）日投料量（kg）工业淀粉100039000糖化液3898151905配料水250097500滤渣19.5760.5液化酶0.623.4CaCl21.558.5糖化酶1.558.5珍珠岩5.85228.15洗水和蒸汽408.05 115913.95累计3917.515278.5累计3917.52.2.2.2 发酵阶段的物料衡算以生产1t纯度为100%的味精需要的原辅料及其他物料为例： (1)发酵液量V1=1000/（15050%80%99%112%）=15.03（mF）其中 150发酵培养基初糖浓度（kg/m3）50%糖酸转化率80%谷氨酸提取率99%除去倒灌率1%后的发酵成功率112%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算，G1=V1150=2254.5（kg）其中 150发酵培养基初糖浓度（kg/m3）(3)种液量V2=2%V1=0.301（m3）其中 2%接种量(4)种子培养液所需水解糖量G2=25V2=7.525（kg）其中 25种液含糖量（kg/m3）(5)生产1t味精需水解糖总量为：G=G1+G2=2254.5+7.525=2262.025（kg）(6)耗用淀粉原料量理论上，100kg淀粉可转化生成111kg葡萄糖，则理论上耗用淀粉量为：G淀粉=2262.025/（80%95%111%）=2681.4（kg）其中 80%淀粉原料含纯淀粉量95%淀粉糖化转化率(7)尿素耗用量种子培养基耗尿素量为 3.5V2=1.05（kg）发酵培养基耗尿素量为 40V1=601.2（kg）则耗尿素总量为602.25kg(8)糖蜜耗用量种子培养基耗用糖蜜量为 20V2=6.02（kg）发酵培养基耗用糖蜜量为 4V1=60.12（kg）则耗用的糖蜜总量为60.14（kg）(9)玉米浆耗量种子培养基玉米浆耗量为 8V2=2.408（kg）耗用的玉米浆总量为2.408（kg）(10)硫酸镁（MgSO47H2O）用量0.4（V1+V2）=0.4（15.03+0.301）=6.132（kg）(11)硫酸锰耗用量2（V1+V2）=2（15.03+0.301）= 30.662(g)(12)硫酸亚铁耗用量2（V1+V2）=2（15.03+0.301）=30.662(g)(13)氯化钾耗用量0.8 V1=0.815.03=12.024（kg）(14)磷酸氢二钾（ K2HP047 H2O）耗用量1V2=10.301=0.301（kg）(15)Na2HP04耗用量0.2V1=0.215.03=3.006（kg）(16)泡敌耗用量0.6（V1+V2）=0.6（15.03+0.301）=9.199（kg）(17)植物油耗用量 1.0 V1=15.03（kg）(18)谷氨酸量发酵液谷氨酸含量为：G150%（1-1%）=2254.550%99%=1115.98（kg）实际生产的谷氨酸为： 1115.9880%=892.784（kg）2.2.2.3 4500t/a味精厂发酵车间的物料衡算表由上述生产1000kg味精（100%纯度）的物料衡算结果，可以得4500t/a味精厂发酵车间的物料平衡计算。具体计算结果如下表：表4 物料衡算表物料名称生产1t味精（100%）物料量4500t/a味精（99%）生产的物料量每日物料量发酵液（m3）15.0368318227.7266667种子培养液（m3）0.3011368.24.560666667发酵水解用糖（kg）2254.510247727.2734159.0909种子培养用糖（kg）7.52534204.5114.015水解糖总量（kg2262.025 10281931.8234273.10607淀粉原料（kg）2681.41218818140627.27尿素（kg）602.2527375009125糖蜜（kg）6021玉米浆（kg）2.4081094536.48333333硫酸镁（kg）6.1322787292.90666667硫酸锰（g）30.662139372464.5733333硫酸亚铁（g）30.662139372464.5733333氯化钾（g12.02454654182.18磷酸氢二钾（kg）0.30113684.56磷酸氢二钠（kg）3.0061366345.54333333泡敌（kg）9.19941813139.3766667谷氨酸（kg）892.784405810913527.032.3 发酵罐的设计机械搅拌通风发酵罐是一种密封式受压设备，其主要部件包括：罐身、轴封、消泡器、搅拌器、联轴器、中间轴承、挡板、空气分布管、换热装置和人孔以及管路等。2.3.1 发酵罐公称容积的确定2.3.1.1 生产能力的计算现每天产99%纯度的味精15吨，谷氨酸生产周期为48h（包括发酵、发酵罐清洗、灭菌进出物料等辅助操作时间）。则每天需发酵液体积为V发酵。每天产纯度为99%的味精15吨，每吨100%的味精需发酵糖液15.03m3：V发酵=15.031599%=227.727（m3）发酵罐填充系数为=75%，则每天需要发酵罐的总容积为V0（生产周期为48h）。 V0= V发酵/=227.727/0.75=303.636（m3） 2.3.1.2 发酵罐个数的确定以公称容积为50 m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为基础，则需要发酵罐的个数为N查表知公称容积为50 m3的发酵罐的总容积为V总= 55.2m3，则有N= V发酵/（V总*24）=227.72748/（55.20.7524）=11.001（个）则需要取公称容积为50 m3的发酵罐11个；实际产量为：富裕量：（4900-4500）/4500=8.88%，满足产量要求。2.3.1.3 发酵罐公称容积的确定随着科技的发展，现有的发酵罐容量系列有：5，10，20，50，60，75，100，120，150，200，250，500m3等等。一般说来单罐容量越大，经济性能越好，但风险也越大，要求技术管理水平也越高，根据生产的规模和实用性，可以先选择公称容积为50m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐。2.3.2 发酵罐各部主要尺寸计算（1）酵罐罐体的尺寸比例：1.73 W =（0.10.12）D d=（1/21/3）D 1H-发酵罐筒身高度(m) D-罐内径(m) d-搅拌器直径 S-两搅拌器的间距 B-最下一组搅拌器距罐底的距离 W-挡板宽度（2）实际体积的计算：V全=V筒+2V封头=55.2 m3，忽略封头折边不计，则有：V全=0.785D2H+2D3/24=55.2 其中，设H=2D，1.57 D3+0.26 D3=55.2，可求得D=3.113（m）取D=3.1m，则H=2D=6.2m查表可知封头高H封=815（mm），则全容积V全= V筒+2V封头=0.785D2H+2D3/24+0.785D20.052=55.2（m3） 表5发酵罐的主要尺寸序号名称数值1公称容积（m3）502公称直径（m）3.13反应器高度（m）6.24封头高（m）0.8155 罐体总高（m）7.836筒体体积（m3）46.87封头体积（m3）4.20158实际体积（m3）55.29搅拌桨直径（m）1.0510搅拌转数（r/min）11011电动机功率（kW）5512搅拌轴直径（m）0.1113冷却方式列管2.3.3 发酵罐的通气设计 2.3.3.1 通气量的计算（1）单罐发酵无菌空气的消耗量 根据生产情况，50m3规模的通气搅拌发酵罐的通气速度为0.200.25VVM，计算时按最大值0.25VVM进行计算。单罐发酵过程的用气量（常压空气）V=5075%0.2560=562.5（m3/h）单罐年用气量 Va=V40150=562.540150=3375000m3 式中：40发酵周期（h）；150每年单罐发酵批次。（2）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、培养时间进行计算。但是常用的习惯，是把种子培养用气、培养基压送及管路损失等算在一起，一般取这些无菌空气消耗量之和等于发酵过程空气消耗量的25%。无菌空气的用量为=25%V=25%562.5=140.625(m3/h)=25%Va12= 10125000m3 其中：12发酵罐个数（3）发酵车间高峰无菌空气消耗量 Vmax=12(V, + )=12(140.625+562.5)=8437.5(m3/h)（4）发酵车间年用量 Vt=12(Va +)=12（3375000+12656250）=162000000（m3）（5） 发酵车间无菌空气单耗 V0=Vt/G=162000000/4900=3306（m3/t）表6 空气用量计算表发酵罐容积（m3）单罐空气用量(m3/h)种子培养及培养基压送耗气量(m3/h)高峰空气耗量(m3/h)年空气用量(m3)空气单耗（m3/t味精）50562.5140.6258437.516200000033062.3.3.2 通气接管的设计1.接管直径的确定：接管直径的确定，主要是根据流体力学方程式计算。 每个发酵罐的实际装液量为41.4m3，设2h之内排空，则物料的体积。设发酵醪的流速为=1m/s，则输料管截面积为F物。则：， 管径d为：，则可取无缝钢管102mm4mm，管内径为94mm，满足要求。若按通风管计算，压缩空气在0.4MPa下，支管的气速为2025m/s。通风比为0.10.18vvm，为常温下20、0.1MPa下的情况，折算到30、0.4MPa的状态，通风量取最大值Q=41.40.18=7.452（m3/min）=0.1242（m3/s）。利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf： 气速为=25m/s，则风管截面积为Ff为：则通气管径d气为：。因通风管也是输料管，故取两者最大值，即可取102mm4mm的无缝钢管。 输料管道的截面积为：F=0.7850.0942=0.0069（m2），液体物料的流量为Q=0.00575m3/s，流速为=1m/s，则该管道在相同的流速相同的时间内，流过的料液量Qo=0.00691=0.0069（m3/s），它们两者的比为P=Q/Qo=0.00575/0.0069=0.83，排料时间t=0.832=1.66h2h，符合要求。2.接管长度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。该发酵罐的输料管可选择不带保温层的，则接管长度可取h=150mm。表7 接管表.接管规格无缝钢管102mm4mm通风管102mm4mm计算工作状态下风量Qf（ m/s）0.032气速（m/s）25风管截面积Ff（ m）0.00128通气管径d（m）0.042.4 生物反应器传动形式的设计表8 传动形式表传动形式主要优点主要缺点带传动中心距变化范围大，可用于较远距离的传动，传动平稳，噪音小，能缓冲吸振，有过载保护作用，结构简单，成本低，安装要求不高有滑动，传动比不能保持恒定，外廓尺寸大，带的寿命较短（通常为3500h5000h），由于带的摩擦起电不宜用于易燃、易爆的地方，轴和轴承上作用力大链传动中心距变化范围大，可用于较远距离的传动，在高温、油、酸等恶劣条件下能可靠工作，轴和轴承上的作用力小虽然平均速比恒定，但运转时瞬时速度不均匀，有冲击、振动和噪音，寿命较低（一般为5000h15000h）齿轮传动外廓尺寸小，效率高，传动比恒定，圆周速度及功率范围广，应用最广制造和安装精度要求较高，不能缓冲，无过载保护作用，有噪音蜗杆传动结构紧凑，外廓尺寸小，传动比大，传动比恒定，传动平稳，无噪音，可做成自锁机构效率低，传递功率不宜过大，中高速需用价贵的青铜，制造精度要求高，刀具费用高表9几种机械传动的基本特性基本特性V形带传动链传动圆柱齿轮传动蜗杆传动h闭式-0.950.970.960.99自锁0.4非自锁0.70.92开式0.900.960.930.960.940.96自锁0.3非自锁0.60.70速度v/(m/s)253020(40)1525(斜齿)(200)vs15(vs35)转速/(r/min)1000050001000030000功率使用范围1000400050000750常用范围75100300050单级(传动比)imin使用值15齿形链15滚子链1010100常用值245835闭式1040开式1560噪音小大大较小寿命短中等长短抗冲击能力良差差中等外廓尺寸大大小小相对价格100%100140165125综合比较，选用蜗杆传动最优。 2.5 热量衡算2.5.1 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是也能冷却下来，必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到的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公式，即 发酵过程的热量计算有许多方法，但在工程计算时更可靠的方法仍然是实际测得的每1 m3发酵液在每一小时传给冷却器的最大热量，对谷氨酸发酵，每1 m3发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为4.184500kJ/（m3h）。采用竖式列管换热器，取经验值K=4.18500kJ/（m3h），平均温度差tm： 32 32 t1=32-20=12 20 29 t2=32-29=3 对公称容积为50 m3的发酵罐，每天装罐，6则每罐实际装液量为：227.727/6=37.9545（m3）换热面积=70.07（m2)2.5.2 淀粉液化工序的热量衡算液化加热蒸汽量 淀粉液化时加热需要消耗的蒸汽量（W蒸汽1）可按下式计算： W蒸汽1=Gc(t2-t1)/(I-)式中，G淀粉浆的重量（kg/h）；c淀粉浆的比热容kJ/(kgK)；t1淀粉浆的初始温度（）；t2液化温度（），I加热蒸汽的热焓，2738 kJ/kg（0.3Mpa,表压）；加热蒸汽凝结水的热焓，363K时377 kJ/kg。淀粉浆量G 根据物料衡算可知，日投工业淀粉量为39t，24h连续液化，即每小时的处理量为39/24=1.625（t/h）。液化调浆时淀粉与水的比例关系为1:2.5，淀粉浆量就为16253.5=5687.5（kg/h）淀粉浆中淀粉的浓度为：162586%/5687.5100%=24.6%淀粉浆的比热容c可按下式计算： kJ/(kgK)式中，淀粉的比热容kJ/(kgK)；x淀粉浆中淀粉的含量（浓度）；c水水的比热容kJ/(kgK)。蒸汽用量W蒸汽1： W蒸汽1=灭酶用的蒸汽量W蒸汽2 灭酶时需将液化液由90加热至100，100时蒸汽的为419（kJ/kg）,那么灭酶用的蒸汽量W蒸汽2：W蒸汽2=灭酶过程一般要求在20min内使液化液由90加热至100，则蒸汽的高峰用量为： 86.460/20=259.2(kg/h)因此，液化过程的平均用蒸汽量为594.31+86.4=680.71(kg/h)，每日蒸汽平均用量为17.53t/d,而高峰时用汽量为730.1+278.1=1674(kg/h)。液化液的冷却水用量液化、灭菌过程完成后，需将物料内100降温至65，假设冷却水的进口温度是20，出水温度是58.7，那么需要的冷却水用量即为： W=每天的用水量为4790.924=115（t/d）。2.5.3 液化液糖化过程的热量衡算年产4500吨味精工厂，按前面计算，日产24%糖液162.156t，按相对密度1.09计算，其体积为162.1561.09=148.77(m2)。糖化操作周期为30h，选用50m3的糖化罐，装填系数75%，则需要糖化罐数量为： 取整数，需3只罐。按生产上的流程使用板式换热器，使糖化液（经灭菌后）由85降至60，用二次水冷却，冷却水的进口温度20，出口温度为45，其平均用水量为： 式中的6272.81为糖化液量（液化液+蒸汽冷凝水=5678.5+594.31）。生产上一般要求在2h内把75m3的糖液冷却至40，其高峰用水量为： 由于每天同时运转的糖化罐有2.4825/30=2.07(罐)；每天冷却水的用量为：234.52.07=142.83（t）2.5.4 连续灭菌和发酵工序的热量衡算 1.培养液连续灭菌用蒸汽量 发酵过程所用的发酵罐为50，装料系数为0.75，那么每只罐产100%MSG的量应为：由前面的技术指标物料衡算知道，每日生产100%MSG为15t，周期为48h，则生产需要的发酵罐为：台，取整数位6台。每日投放罐次为155.8=2.59 台，日运转6.89(4048)=5.74台。每罐初始体积为37，糖浓度是16.4g/100ml，灭菌前培养基的含糖量为19%，起数量应为：灭菌过程中用0.4MPa蒸汽，其I=2743kj/kg分两步加温，先用板式换热器将物料由20预热到75，再加热到120，而冷却水的温度由20升至45。设每罐的灭菌时间为3h，需要输料流量为，灭菌所用的蒸汽量为：W蒸汽3=其中 3.7糖液的比热容KJ/(kg*K)这样，每天的灭菌蒸汽用量就是，其中高峰用量是173（kg/h）,平均用量是1600/24=66.7（kg/h）。2.培养液冷却水用量 由培养液板式换热器灭菌流程可知，120的热料先通过与生料进行热交换，降温至80后，再用冷却水冷却至35，在此过程中冷却水由20升温至45，所以冷却水用量为： W冷却全天冷却水用量为：3.发酵罐空罐灭菌的蒸汽用量 由于发酵罐的体积是50，假设发酵罐体是由不锈钢1Cr18Ni9制造而成，此时罐体的重量为17.15t,冷却排管重有3t，不锈钢1Cr18Ni9的比热容是0.5KJ/(kg*K)，用0.2MPa蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15MPa下，由20升温至127，蒸汽的用量为：4.充满发酵罐空间需要的蒸汽量 因为50的发酵罐的容积实际上大于50，考虑到管内有排管、搅拌器等配件所占有的空间，罐的自由体积仍按50计算，充满罐空间需要的蒸汽量为： W蒸汽4=V发酵罐蒸汽=501.62281.1(kg)其中 V发酵罐发酵罐自由空间，即全容积（）；加热蒸汽的密度（kg/） 1.6220.2MPa(表压)的蒸汽密度（kg/）5.灭菌过程中的热损失 设发酵罐的外壁温度为70，此时辐射与对流的联合给热系数为： 50发酵罐的表面积为51，耗用蒸汽量为：罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗量：其中 0.001罐壁附着洗涤水的平均厚度（1mm）6.灭菌过程的蒸汽渗漏消耗的蒸汽 一般灭菌过程的蒸汽渗漏可取总蒸汽消耗量的5%，因此，空罐灭菌时的蒸汽消耗量为：每次空罐灭菌的时间是1.5h，耗用的蒸汽量为：753.931.5=1131(kg/罐)每日耗用的蒸汽量为：11313=3393(kg/d)平均耗用蒸汽量： 7.发酵过程产生的热量及冷却水用量：根据部分味精厂的经验数据可以知道谷氨酸的发酵热约为 50的味精发酵罐，一般装料是37，使用新鲜的冷却水进行冷却，冷却水的进口温度是10，出口温度为20，那么冷却水的用量就可以按下式计算：因为每天运转的发酵罐是5.74罐次，高峰用水量26.565.74=152.45(t/h)，日用水量为152.450.824=2927(t/d)（注：式中的0.8是各罐发热状况均衡系数），平均用水量为292724=121.96(t/h)表10 换热器类型名称数值换热面积F（ m2）109.9淀粉浆量(kg/h)6090糖化液初始温度()85糖化液降温温度()60冷却水进口温度()20冷却水出口温度()45灭菌蒸汽量(kg/h)1732.6 搅拌器的类型，由搅拌器转速进行搅拌功率、搅拌轴直径的计算的确定2.6.1 搅拌器类型的确定机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种形式，可根据发酵特点、基质及菌体特性选用。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。该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定的比例关系，计算结果：拌器叶径：Di=D/3=3.1/3=1.03（m），取Di=1.05（m）叶宽：B=0.2*Di=0.21.05=0.21（m）弧长：l=0.375*Di=0.3751.05=0.39（m）底距：C=D/3=3.1/3=1.03（m）盘径：di=0.75*Di=0.751.05=0.79（m）叶弦长：L=0.25*Di=0.251.05=0.26（m）叶距：Y=D=3.1（m） 弯叶板厚：=12（mm）取两档搅拌，搅拌转速N2根据50 m3罐，搅拌器直径1.05m，转速N1=110r/min，以等P0/V为基准放大求得：（r/min）2.6.2 搅拌轴功率的计算淀粉水解糖液低浓度发酵醪可视为牛顿型流体，计算过程如下： 1 计算Rem 其中：D搅拌器直径，D=1.05m N搅拌器转速，N=110/60=1.83（m/s） 醪液密度，可取=1050（kg/m3）醪液粘度，可取=1.310-3Ns/m2则有=，视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7。2 计算不通气时的搅拌轴功率Po：Po=NpN3D5其中：Np=4.7， N=110/60=1.83（m/s）， D=1.05（m），=1050（kg/m3）则，Po =NpN3D5=4.71.8331.0551050=38.6103（w）=39（kw）；两档搅拌，Po=2 Po=239=78（kw）3 计算通风时的轴功率Pg： 4 计算电机功率P电：根据计算的功率，选取合适的电机。表11 电机性能表名称数值搅拌轴直径（m）1.1算不通气时的搅拌轴功率Po（kw）79通风时的轴功率Pg（kw）48.6电机功率P电 （kw）55 2.7 其它辅助设备的设计与选型2.7.1 糖化工序的用水量配料用水量 年产万吨味精的生产工厂日投工业淀粉量为41.6（t），配料时的加水比例是1:2.5，用水量41.62.5=104（t/d）。2.7.2 连续灭菌及发酵工序的用水量 配料用水量 由于糖化后的糖液含糖量是24%，而培养基的含糖量是19%，配成的糖液有162.156（t）,那么每罐料需要加水的量是： 162.156 (119%/24%)=33.78(t) 每天按5.74罐计算，配料需要的水量为5.7433.78=193.9（t/d）。 培养液冷却水用量 由培养液板式换热器灭菌流程可知，120的热料先通过与生料进行热交换，降温至80后，再用冷却水冷却至35，在此过程中冷却水由20升温至45，所以冷却水用量为：W冷却全天冷却水用量为：50的味精发酵罐，一般装料是37，使用新鲜的冷却水进行冷却，冷却水的进口温度是10，出口温度为20，那么冷却水的用量就可以按下式计算：因为每天运转的发酵罐是5.74罐次，高峰用水量26.565.74=152.45(t/h)，日用水量为152.450.824=2927(t/d)（注：式中的0.8是各罐发热状况均衡系数），平均用水量为292724=121.96(t/h)表12 生产用水量附表序号名称数值1每罐料需加水量（吨）33.782配料需水量（t/d）1993.93培养液冷却水用量（t/h）18.24全天冷却水用量（t/d）163.85发酵罐冷却水用量（t/h）26.566高峰用水量（t/h）152.457日用水量（t/d）29278平均用水量（t/h）121.962.7.3 设备结构的辅助工艺设计设备结构的工艺设计，是将设备的主要辅助组装置的工艺要求交待清楚，供制造加工和采购时取得资料数据。其内容包括：空气分布器、挡板、密封方式、搅拌器以及冷却管布置等等。空气分布器：对于好气发酵罐，分布器主要有两种形式，即多孔管式和单管式。对于通气量大的发酵罐，多使用单管通风。由于本罐的通风量大，所以使用单管进风。挡板：挡板的作用是加速搅拌强度，促进液体上下翻动和控制流型，防止产生涡旋而降低混合和溶氧效果，由于本罐中有扶梯和竖式冷却蛇管，故可不设挡板。密封方式：本罐欲采用双面机械密封方式。冷却管布置：对于容量大的发酵罐，发酵罐容量的增加，比表面积变小，夹套式的冷却面积已无法满足生产要求，遇事可使用管式冷却装置。蛇管因易结垢且不易清洗而不采用；列管式冷却装置虽然冷却效果好，但耗水量过多；因此，可使用竖直蛇管冷却装置。2.7.4 发酵罐辅助尺寸的计算1.计算法确定发酵罐的壁厚S：（cm）其中：P设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa D发酵罐内径，310cmA3钢的许用应力，=127MPa 焊缝系数，可取=0.7 C壁厚附加量（cm）C=C1+C2+C3，其中：C1钢板负偏差，可取C1=0.9mm， C2腐蚀裕量，取C2=2mm C3加工减薄量，取C3=0，则C=0.9+2+0=2.9mm=0.29cm ，查表可选用10mm厚的A3钢板。查附表知：直径3.1m ，厚10mm ，筒高6.2m ,每米高节板重量901kg ，则C筒=9013.1=2793.1（kg）2.封头壁厚计算：标准椭圆形封头的厚度计算公式如下： （cm）其中：P设计压力，现取P=0.4MPa D发酵罐内径，310cmA3钢的许用应力，=127MPa 焊缝系数，可取=0.7 C壁厚附加量（cm）C= C1+ C2+ C3，其中：C1钢板负偏差，可取C1=0.9mm， C2腐蚀裕量，取C2=2mm C3加工减薄量，取C3=1.1mm，则 C=0.9+2+1.1=4mm=0.4cm 选用S=12mm的A3钢板,G封=1018（kg）2.7.5 冷却装置的设计 1.最高热负荷下的耗水量W：其中：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：Q总=4.18450041.4=1.04106（kJ/h） Cp冷却水的比热容，4.18kJ/（kgK） t2冷却水终温，t2=29 t1冷却水初温，t1=20；则有：冷却水体积流量为q=7.67m3/s 竖管中的流速为1m/s，根据流体力学方程，冷却管总截面积S总为： 进水总管直径为：2.冷却管组数和管径：设冷却管管径为d0，组数为n，则：S总=0.785nd02竖直蛇管的组数n，根据本罐的大小，可选择n=6，则管径为：查无缝钢管表，选取573.5无缝钢管，d内=50mmd0可满