年产5000吨晶体味精厂发酵车间设计.doc

四川理工学院毕业设计 年产5000吨晶体味精厂发酵车间设计学 生：韩 晓 强学 号：08042020203专 业：生物技术及应用班 级：2008级2班指导教师：曹 新 志 四川理工学院生物工程系二O一一年六月四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 年产5000吨晶体味精厂发酵车间设计 学院： 生物工程 专业： 生物技术及应用 班级： 生物技术及应用082 学号： 08042020203 学生： 韩晓强 指导教师： 曹新志 接受任务时间 2011.3.22 教研室主任 （签名）二级学院院长 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求（1）全厂论证；（2）车间物料衡算；（3）车间冷量热量横算；（4）车间设备选型（5）图纸要求：全厂工艺流程方框图；带控制点工艺流程图；平立面布置图。（6）撰写设计说明书一份；（7）产品规格：玉米原料，成品99%纯度；（8）生产安排：年生产天数为320天。2指定查阅的主要参考文献及说明（1）吴思方.发酵工厂工艺设计概论M.中国轻工业出版社.2005；（2）梁世中.生物工程设备M.中国轻工业出版社.2005；（3）姚玉英.化工原理(上、下)M.天津大学出版社.1999；（4）陈宁.氨基酸工艺学M. 中国轻工业出版社,2008年；（5）于信令. 味精工艺手册M. 中国轻工业出版社,1995年。3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1全厂工艺论证及工艺参数的选择04月11日-04月26日2工艺计算04月27日-05月10日3车间设备设计、选型及车间布置设计05月11日-05月20日4图纸绘制05月21日-05月31日5设计说明书修订、排版及装订06月1日-06月10日注：本表在学生接受任务时下达年产5000吨晶体味精厂发酵车间设计目录前 言1第一章 概 述21、味精的发现22、味精的主要性质23、味精的营养价值44、味精产业的发展45、味精的工业制备法56、发酵法生产味精5第二章 全厂工艺论证71、发酵法生产味精流程72、原料预处理83、淀粉水解糖制备94、种子扩大培养105、谷氨酸发酵106、谷氨酸的提取117、谷氨酸制取味精11第三章 物料衡算及热量衡算131、谷氨酸发酵工艺131.1谷氨酸发酵车间工艺流程图如下131.2 工艺技术指标及基础数据142、发酵车间的物料衡算142.2 5000t/a味精厂发酵车间的物料衡算结果172.3谷氨酸提取车间的物料衡算182.4 5000t/a谷氨酸提取车间物料衡算表193、谷氨酸提取车间热量衡算193.1提取车间热量衡算的意义和具体计算193.2提取车间热量衡算表21第四章 设备设计选型221、发酵罐221.1发酵罐的选型221.2生产能力、数量和容积的确定221.3主要尺寸的计算231.4冷却面积的计算231.5搅拌器计算241.6搅拌轴功率的计算251.7设备结构的工艺计算261.8设备材料的选择281.9发酵罐壁厚的计算281.10接管设计291.11支座选择302、种子罐302.1 二级种子罐容积和数量的确定312.2一级种子罐373、空气分过滤器373.1二级种子罐分过滤器373.3发酵罐分过滤器384、味精发酵车间设备一览表39参考文献40致谢41ii前 言毕业设计是高等学校技术科学专业及其他需培养设计能力的专业或学科应届毕业生的总结性独立作业。要求学生针对某一课题，综合运用本专业有关课程的理论和技术，作出解决实际问题的设计。 毕业毕业设计是高等学校教学过程的重要环节之一。相当于一般高等学校的毕业论文。目的是总结检查学生在校期间的学习成果，是评定毕业成绩的重要依据；同时，通过毕业设计，也使学生对某一课题作专门深入系统的研究，巩固、扩大、加深已有知识，培养综合运用已有知识独立解决问题的能力。毕业设计也是学生走上国家建设岗位前的一次重要的实习。发酵工业，是生物工程的一个分支，而味精是三大发酵产品之一，味精是我国新兴的发酵工业中规模最大的产品，在食品的生物技术领域中有重要地位。味精在食品、医药、农业、工业上都有广泛应用。我国的味精生产和消费居世界第一，具有较大的生产潜力。目前国内外味精生产一般都采用发酵生产，味精发酵生产法的生产工艺已经比较成熟，但由于味精在许多领域都有广泛的应用，故味精生产的工艺仍需不断更新以降低成本，提高质量，适应社会主义市场经济的需求。本文对味精发酵生产中的原料预处理、发酵、提取部分的生产方法和生产流程，根据实际情况来选择发酵工段合适的生产流程，并对流程中的原料进行物料横算、热量衡算即设备的选择。最后画出工艺流程方框图、发酵工段的带控制点工艺流程图和平面立面布置图。在本次设计过程中，得到了曹新志老师的悉心指导和同学们的耐心帮助，并且查阅了许多参考书籍文献，在此表示衷心感谢！由于本人水平有限，且经验不足，在设计过程中难免有错误和疏漏之处希望老师批评指正，纠正作者的不做，改正错误。设计人：韩晓强 2011年 五月 1第一章 概 述1、味精的发现 尽管味精广泛存在于日常食品中，但谷氨酸以及其它氨基酸对于增强食物鲜味的作用，在20世纪早期，才被人们科学地认识到。 1907年，日本东京帝国大学的研究员池田菊苗发现了一种，昆布（海带）汤蒸发后留下的棕色晶体，即谷氨酸。这些晶体，尝起来有一种难以描述但很不错的味道。这种味道，池田在许多食物中都能找到踪迹，尤其是在海带中。池田教授将这种味道称为：“鲜味”。继而，他为大规模生产谷氨酸晶体的方法申请了专利。之后，味之素公司成立，致力于味精的生产与产品在日本市场的销售。“味之素”意味着“味觉的元素”。1947年，味精登陆美国市场，命名为：Accent flavor enhancer。2、味精的主要性质味精是L-谷氨酸一钠，带有一个分子的结晶水。从发酵液中提取得到的谷氨酸仅仅是味精生产中的半成品。谷氨酸盐与适量的碱进行中和反应，生成谷氨酸一钠，其溶液经过脱色、除铁、除去部分杂质，最后通过减压浓缩、结晶及分离，得到较纯的谷氨酸一钠的晶体，不仅酸味消失，而且有很强的鲜味（阈植为0.3%）。谷氨酸一钠的商品名就是味精或味素。 2.1、味精的物理性质（1）性状：味精是无色至白色的柱状晶体性粉末。（2）分子式：C5H8NO4NaH2O 分子量：187.13 结构式：-OOC-CH2-CH2-CH(NH3+)-COO-Na+H2O（3）结晶系 斜方晶系(rhombic system or orthorhombic system),柱状八面体。（4）密度 粒子相对密度1.635；视相对密度0.800.83。（5）L-谷氨酸钠的比旋光度： =+24.8+25.3（c+10,2.5mol/L HCl）（6）溶解度 味精易溶于水，不溶于乙醚丙酮等有机溶剂，难溶于酒精。 在水中之溶解度：0 64.42g/100g水，20 72.06g/100水，40 83.89g/100g水，60 101.6g/100g水。 在酒精中溶解度：见下表（7）pH 7.0 （10%水溶液）。（8）全氮 7.48%。（9）熔点 195（在125以上易失去结晶水）。（10）吸湿性 温度（） 10 20 30 50临界湿度 96.1 96.0 94.8 90.0（11）味精的热稳定性 常温100脱湿；100120安定；120130结晶水放散；130170安定； 170250脱水；240280溶解热分解； 28炭化。（12）休止角（angle of repose）Q=4246 休止角含义：使味精结晶从料斗缓慢落到地面上，就堆积成圆锥体型，圆锥体的母线与水平面的夹角Q，成为休止角。2.2 味精的化学性质（1）化学名： L-谷氨酸单钠一水化物(简称MSG) 或2-氨基戊二酸单钠-水化物，结构式：HOOC-CH2-CH2-CH-COONaH2O NH2 IUPAC英文名： sodium (2S)-2-amino-5-hydroxy-5-oxo-pentanoate.（2）化学反应在盐酸作用下生成谷氨酸（Glu）或谷氨酸盐酸盐（GluHCl）。C5H8NO4Na+HCl C5H9O4N+NaCl +HCl C5H9O4NHCl在强碱作用下可生成谷氨酸二钠盐，但加酸后仍可生成谷氨酸钠。C5H8O4NNa+NaOH C5H7O4NNa2+H2O C5H7O4NNa2+HCl C5H7O4NNa+NaCl 在水溶液中长时间加热，可部分脱水生成吡咯烷酮羧酸钠（通称谷氨酸钠Sodium pyroglutamate，简写P-GluNa）。他在酸或碱的作用下仍可水解成谷氨酸钠或谷氨酸：（3）谷氨酸的等电点：pI=6.963、味精的营养价值首先，味精能增进菜肴的鲜味，促进食用者的食欲，能够刺激消化液的分泌，有助于食物在体内的消化吸收。其次，味精经口食入后，很快在消化道被分解为谷氨酸进入血液输送到肌体各部，参与各种生理必须的蛋白质的合成，谷氨酸是自然界存在的二十种氨基酸之一，是组成蛋白质的基本结构。再次，谷氨酸还具有特殊功能，在人体内起着十分重要的生理作用：(1)谷氨酸在人体内通过转氨酶的作用将其分子中的氨基转移给丙氨酮酸，形成丙氨酸。(2)谷氨酸与血液中的氨形成无毒的谷氨酰氨，使血液中氨的浓度下降，减少氨中毒的危险性。(3)谷氨酸在体内与胱氨酸、甘氨酸结合形成谷胱甘肽。该化合物是一种很有效的抗氧化剂，对于延续衰老，促进疾病恢复均有好处。能够分解体内代谢过程中所产生的过氧化物，避免肌体遭受过氧化物的侵害，有利于维持身体健康。(4)谷氨酸在体内能够形成氨基丁酸，它是一种神经递质，帮助神经的传导。4、味精产业的发展味精产业的发展，大致有三个阶段：第一阶段：1866年德国人HRitthasen(里德豪森)博士从面筋中分离到氨基酸，他们称谷氨酸，根据原料定名为麸酸或谷氨酸（因为面筋是从小麦里提取出来的）。1908年日本东京大学池田菊苗试验，从海带中分离到L谷氨酸结晶体，这个结晶体和从蛋白质水解得到的L谷氨酸是同样的物质，而且都是有鲜味的。第二阶段：以面筋或大豆粕为原料通过用酸水解的方法生产味精，在1965年以前是用这种方法生产的。这个方法消耗大，成本高，劳动强度大，对设备要求高，需耐酸设备。第三阶段：随着科学的进步及生物技术的发展，使味精生产发生了革命性的变化。自1965年以后我国味精厂都采用以粮食为原料（玉米淀粉、大米、小麦淀粉、甘薯淀粉）通过微生物发酵、提取、精制而得到符合国家标准的谷氨酸钠，为市场上增加了一种安全又富有营养的调味品，用了它以后使菜肴更加鲜美可口。5、味精的工业制备法目前常见的工业制备方法包括：蛋白质水解法、人工合成法以及发酵法。蛋白质水解法蛋白质水解法也是较为常见的制备方法，但因为其制备的方法需要消耗大量的粮食，因而相对发酵法为少用。其原理是将含有谷氨酸的蛋白质进行水解，将其中的谷氨酸提纯后，重新溶于水中并中和，中和后再将谷氨酸钠进行提纯得到结晶。由于组成蛋白质的氨基酸有很多种，因此直接通过水解法得到的谷氨酸，仅仅是水解所得氨基酸的其中一小部分。因为其余的氨基酸无法得到利用（包括无法利用其中所含的碳、氢、氮等元素），所以其效率比较低。人工合成法人工合成法虽然不需要使用粮食，而是用非粮食的特定有机化合物，但是由于制备过程复杂，需要用到较昂贵的高温高压设备，成本较高，因此并不常用。发酵法发酵法是目前工业生产中的常用方法，因为其出产率较高，相对消耗粮食较少，设备相对简单，成本较低。其所使用的原料包括来自淀粉类的碳源，以及尿素、氨等氮源，通过谷氨酸微球菌（Micrococcus glutamicus）和短杆菌属（Brevibacterium）的这类能够产生谷氨酸的菌种进行发酵，获得含有谷氨酸的中间产物。将中间产物用碳酸钠、氢氧化钠等含有钠离子的水溶性碱性化合物进行中和，最后提纯得到谷氨酸钠结晶。6、发酵法生产味精 首先由发酵法制得谷氨酸，谷氨酸与纯碱成盐后精制得到味精。谷氨酸发酵生产包括斜面种子培养、摇瓶扩大培养和种子培养及发酵等阶段，从发酵液中提取谷氨酸，将谷氨酸用碳酸钠和，硫化钠除铁，活性炭脱色，过滤，滤液进行真空浓缩，加入晶种使之结晶，过滤后即得产品l谷氨酸钠，将它铺成薄薄的一层，进烘房，在80下干燥10小时，干燥后的味精即可包装。谷氨酸发酵属于通气发酵，也是我国目前通气发酵产业中，生产厂家最多、产品产量最大的产业。其生产工艺和设备都是非常典型的，本文对味精的生产工艺和主要设备作简要介绍，希望有助于了解通气发酵工艺和主要设备的相关关知识。设计的主要类容为，了解味精生产中的原料预处理、发酵、提取部分的生产方法和生产流程，根据实际情况来选择发酵工段合适的生产流程，并对流程中的原料进行物料衡算、热量衡算及设备的选择。最后，画出发酵工段的工艺流程图和平面布置图。整个设计内容分成了三个部分：1 味精生产的工艺设备和选择；2 发酵罐、种子罐及空气分过滤器的设计与选型；3 发酵车间的工艺流程和平面布置图。由于本人水平有限，加之对先进设计的了解甚少，设计中有很多不足的地方敬请各位老师和同学批评指正。43第二章 全厂工艺论证1、发酵法生产味精流程整个味精生产过程可分为四个工艺阶段：（1） 原料的预处理和淀粉水解糖的制备；（2） 种子的扩大培养与谷氨酸的发酵；（3） 脯氨酸的提取；（4） 谷氨酸制取味精及味精成品加工。由这四个工艺阶段，味精生产厂家一般就把味精生产分为以下四个车间：（1） 糖化车间（2） 发酵车间（3） 提取车间（4） 精制车间除以上四个车间外，为保障生产过程中对蒸汽的需求，同时还配置了动力车间。动力车间的工作原理就是燃烧锅炉产生蒸汽把蒸汽通过供气管路输送到各个生产需求部位，以满足各生产部位对热量的需求。此外，为保障整个生产过程中的用水量，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。味精生产的总工艺流程图见下图：菌种斜面培养摇瓶扩大培养种子罐扩大培养原料预处理水解过滤淀粉水解糖配料发酵空气空气压缩机冷却气液分离过滤除菌等电点调节沉淀离心粗谷氨酸溶解中和制味精 母液细谷氨酸除铁过滤脱色浓缩结晶离心小结晶干燥拌盐粉碎粉状味精大结晶干燥过滤成品味精 图1 味精生产总工艺流程图Fig. 1. The flow diagram of Monosodium glutamate production process2、原料预处理此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构，以便提高原料的利用率，同时去除固体杂质，防止机器磨损。基本生产过程如下：玉米清理浸泡粗碎胚的分离磨碎分离纤维分离蛋白质清洗离心分离干燥淀粉。（1） 清理：清除玉米原粮中的杂质，采用筛选方法；（2） 浸泡：浸泡可以软化子粒、溶出水溶性物质、出去附着的杂质，控制温度50，pH3.5，用0.2%二氧化硫浸泡48h，浸泡后玉米水分达到40%；（3） 粗碎：用盘式粉碎机，二次破碎，使胚全部脱落；（4） 胚的分离：使用分离槽；（5） 磨碎：第一次用锤碎机，第二次用金刚砂盘淀粉磨进行磨碎；（6） 纤维的分离：采用筛选方法，用48含S2O0.05%的水洗；（7） 蛋白质的分离：利用相对密度不同，用离心机分离；（8） 清洗：加水、搅拌、沉淀、流去清液，去除水溶杂质；（9） 脱水：用900r/min立式离心机脱水，至水分含量37%；（10） 干燥：用带式干燥机将淀粉水分干燥至12%；（11） 成品整理：通过筛分和粉碎使成品粒度整齐。3、淀粉水解糖制备由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉作为碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。淀粉水解为葡萄糖先要进入液化阶段，然后再与糖化酶作用进入糖化阶段。目前，淀粉的糖化工艺主要采用酶解法。酶解法也称双酶法，是用淀粉酶和糖化酶将淀粉转化为葡萄糖的工艺，分为两个过程。第一，液化过程，即利用淀粉酶将淀粉液化,转化为糊精及低聚糖,使蛋白质分离。第二，糖化过程,及利用糖化酶将液化了的糊精及低聚糖进一步水解化为葡萄糖。液化阶段：首先利用 -淀粉酶将淀粉浆液化，降低淀粉黏度并将其水解成糊精和低聚糖。液化使用喷射液化器，工作蒸汽压0.4Mpa，温度维持在90，液化时间60min，碘色反应呈棕色即可。然后130-140灭酶5-10min。经板式换热器冷却到70以下，进入糖化罐。从换热器出来的热水供配料和洗滤渣用。糖化阶段：一定温度下液化后的糊精及低聚糖在糖化罐内将进一步水解为葡萄糖。糖化过程需要加入糖化酶，糖化温度控制在60左右，pH值4.0-4.4，糖化时间32h。糖化结束后，将糖化罐加热至80-85 ，灭酶30min。过滤得葡萄糖液，经过换热器、维持罐进行连续消毒后作为培养液进入发酵罐。4、种子扩大培养种子扩大培养是为了保证谷氨酸发酵过程所需的大量种子，发酵车间内设置有种子站，完成生产菌种的扩大培养任务。在生产之前，技术人员经过挑选将发酵菌种从保藏菌种中取出，从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至二级种子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产菌种。种子培养工艺 种子罐加料顺序，配料池冲洗干净，将水、葡萄糖、玉米浆、糖蜜、尿素、磷酸氢二钾加入其中，用NaOH调PH值，取样分析，加消泡剂，加水定容至刻度线，待打料，此过程中搅拌始终开启。 空消 ：首先打开夹层蒸汽阀，升温再打开内层蒸汽阀，其次各路蒸汽阀打开升压至0.2Mpa，连同分过滤器一同灭菌，空消过程每15分钟排污一次。 实消 ：夹层预热至98，内层升温至118，计时5分钟保压。保压阀间断开关3 5次，取样口排料3 5次，并使各路考克充分排汽，降温前整理好降温系统。 培养 ：温度、风量、罐压三项指标准确无误。5、谷氨酸发酵谷氨酸发酵开始前，首先必须配制发酵培养基，并对其作高温短时灭菌处理。用于灭菌的工艺除采用连消塔维持罐一喷淋冷却系统外，还可采用喷射加热器维持管真空冷却系统或薄板换热器灭菌系统。但由于糖液粘度较大，流动性差，容易将维持管堵塞，同时真空冷却器及薄板加热器的加工制造成本较高，因而应用较少。发酵设备，国内味精厂大多采用机械搅拌通风通用式发酵罐，罐体大小在50m3到200m3之间。对于发酵过程采用人工控制，检测仪表不能及时反映罐内参数变化，因而发酵进程表现出波动性，产酸率不稳定。 在发酵过程中，氧、温度、pH和磷酸盐等的调节和控制如下：氧。谷氨酸产生菌是好氧菌，通风和搅拌不仅会影响菌种对氮源和碳源的利用率，而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在发酵后期，加大通气量有利于谷氨酸的合成。温度。菌种生长的最适温度为3032 。当菌体生长到稳定期，适当提高温度有利于产酸，因此，在发酵后期，可将温度提高到3437 。pH。谷氨酸产生菌发酵的最适pH在7.08.0。但在发酵过程中，随着营养物质的利用，代谢产物的积累，培养液的pH会不断变化。如随着氮源的利用，放出氨，pH会上升；当糖被利用生成有机酸时，pH会下降。磷酸盐。它是谷氨酸发酵过程中必需的，但浓度不能过高，否则会转向缬氨酸发酵。发酵结束后，常用离子交换树脂法等进行提取。发酵方法：发酵方法有间歇发酵方法和连续发酵。在本次设计中发酵设备为间歇操作，灭菌设备为连续操作。6、谷氨酸的提取在发酵液中，除含有谷氨酸外，还存在着菌体、残糖、色素、胶体物质及其他发酵副产物。谷氨酸发酵结束后，发酵液的温度在3436，pH6.07.5，接近中性。整个发酵液外观呈浅黄色浆状，表面浮有少许泡沫。谷氨酸的提取的方法有，等电点法、离子交换法、金属盐法、离子交换膜电渗析法，一般采用等电点离子交换法，国内有些味精厂还采用等电点锌盐法、盐酸水解等电点法及离子交换膜电渗析法提取谷氨酸。但存在废水污染大，生产成本高，技术难度大等问题，应用上受到限制。本设计选用低温浓缩等电点法。提取工艺具体如下： 发酵液现在45以下低温减压蒸发浓缩，真空度要求在92.1kPa以上，使谷氨酸含量达到12%14%。2将浓缩液降温至810，用硫酸调至pH4.85.1，在此期间应注意观察晶核形成的情况，若有晶核出现，应停止加酸，加入浓缩液体积0.3%的晶种，搅拌育晶2h。3继续缓慢加硫酸调至pH3.2，将温度降至04，继续搅拌14h。4沉淀4h，离心分离得湿谷氨酸，母液做复合肥料。该法具有工艺稳定，操作方便，收率高，生产周期短，节约酸、碱，减少环境污染等优点，但浓缩时要求真空度高，内温控制在45以下，不使菌体蛋白质凝固。该工艺平均收率为84%左右，谷氨酸含量（干、纯）95%左右。7、谷氨酸制取味精谷氨酸通过浓缩的发酵液，谷氨酸晶体杂质高，为减轻后步工序负荷，必须进一步提纯，根据工业结晶理论，结晶是提纯物料最有效的方法，可采取两种方法，一种方法是型晶（粗谷氨酸），经溶解重新结晶或型晶，因晶格的不同，除去晶体中的杂质和色素，达到提纯的目的。另一种方法是型晶，表面适度溶解后再重新结晶（仍然为型晶形），除去表面吸附的杂质。前者夫酸纯度高，后者夫酸纯度低，但具有一定的成本优势。 味精是L-谷氨酸一钠，带有一个分子的结晶水。从发酵液中提取得到的谷氨酸仅仅是味精生产中的半成品。谷氨酸盐与适量的碱进行中和反应，生成谷氨酸一钠，其溶液经过脱色，除铁，除去部分杂质，最后通过减压浓缩，结晶及分离，得到较纯的谷氨酸一钠的晶体，不仅酸味消失，而且有很强的鲜味。味精中和液的脱色过程，除使用碳柱外，还可使用离子交换柱，利用离子交换树脂的吸附色素。味精的干燥过程，国内许多厂家还采用箱式烘房干燥，设备简单，投资低，但操作条件差，生产效率低，不适应大规模生产的要求。也有的厂家使用气流干燥技术，生产量大，干燥速度快，干燥时间短，但干燥过程对味精光泽和外形有影响，同时厂房建筑要求较高，这样均不如振动式干燥床应用效果好。 谷氨酸发酵采用淀粉原料，双酶法糖化，中糖发酵，一次等电点提取工艺。第三章 物料衡算及热量衡算1、谷氨酸发酵工艺1.1谷氨酸发酵车间工艺流程图如下 灭 无 压缩机过滤除菌冷却器维持罐连消塔预热器水 菌 菌 空解 培 空 气糖 养 气 基 分离机发酵罐灭菌尿素（或液氨） 成 母液等电点罐 熟灭菌 发 谷氨 消泡剂 酵 酸 液 图2 谷氨酸发酵工艺流程示意图1.2 工艺技术指标及基础数据 （1）查发酵工厂工艺设计概论P326表3 味精行业国家企业标准，选用主要指标如下表：表1 味精发酵工艺技术指标指标名称单位指标数生产规模t/a5000（味精）生产规格纯度（%）99生产方法双酶法糖化，中糖发酵，一次等电点提取年生产天数d/a320产品日产量t/d16倒罐率%0.5发酵周期h4042生产周期h48种子发酵周期h810发酵初糖Kg/m396淀粉糖转化率%95糖酸转化率%50麸酸谷氨酸含量%90谷氨酸提取率%84味精对谷氨酸产率%112（2）主要原材料质量指标 原料玉米的淀粉含量为70%，含水14%。 （3）二级种子培养基（/L） 淀粉水解糖25g，玉米浆20g，菌体水解液60g，磷酸氢二钾3.0g，硫酸镁1.0g，硫酸锰0.2g，硫酸铁0.2g，维生素B1400g，维生素H200g，消泡剂0.6g，尿素5g。（4）发酵培养基（/L） 淀粉水解糖150g，玉米浆40g，磷酸氢二钾4.5g，硫酸镁1.5g，硫酸锰30mg，硫酸铁30mg，维生素B1400g，维生素H600g，消泡剂0.6g，尿素5g。（5）二级种子培养接种量为1%。发酵培养接种量为1.2%。（参考氨基酸工艺学味精工艺手册）2、发酵车间的物料衡算2.1计算每生产1000kg纯度为100%的味精需耗（1） 发酵液量V1 式中 150发酵培养基初糖浓度（kg/m3） 50%糖酸转化率 84%谷氨酸提取率 99.5%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） 发酵液配置需水解糖量G1以纯糖算,（3） 二级种液量V2 （4） 二级种子培养液所需水解糖量G2式中 25二级种液含糖量（kg/m3）（5） 生产1000kg味精需水解糖总量G为:（6） 耗用原料量100g淀粉转化成葡萄糖理论量为111g，故理论上耗用的原料玉米量G玉米为：式中 70%原料玉米含纯淀粉量95%淀粉糖转化率（7） 玉米浆耗用量（8） 菌体水解液耗用量（9） 磷酸氢二钾耗量（10） 硫酸镁耗量（11） 硫酸锰耗量（12） 硫酸铁耗量（13） 维生素B1耗量（14） 维生素H耗量GH（15） 消泡剂耗量（16） 尿素耗量（17） 谷氨酸实际产量 式中 50%糖酸转化率 1% 倒罐率 84%谷氨酸提取率2.2 5000t/a味精厂发酵车间的物料衡算结果根据上述生产1t味精（纯度为100%）的物料衡算结果，可求得5000t/a味精厂发酵车间的物料平衡计算结果，具体结果见下表物料名称生产1t味精（100%）物料量生产5000t/a味精(99%)物料量每日物料量发酵液（m3）14.247.18104224.48二级种液（m3）0.28514384.4927发酵水解用糖（kg）21361.0810733672二级种培养用糖（kg）7.123.59104112.24水解糖总量（kg）2143.11.0810733784玉米原料（kg）2903.31.4610745768玉米浆（kg）575.032.901069064.8菌体水解液（kg）17.18.63104269.56磷酸氢二钾（kg）64.93.271051023.1硫酸镁（kg）21.61.08105340.5硫酸锰（kg）0.4824217.5667硫酸铁（kg）0.4824217.5667维生素B（kg）0.005829.250.0914维生素H（kg）0.008643.380.1356尿素（kg）72.63.661051144.5谷氨酸（kg）888.14.4810614000 2.3谷氨酸提取车间的物料衡算(1) 生产5000t/a纯度为99%的味精 每日所需的发酵液量为： 年用量23570432010-3=75425.3（t）(2) 加98%的硫酸量为发酵液的3.6% 日用量2357043.6%=8485.4（kg）8485.41.8410-3=4.62（m3）年用量8485.432010-3=2715.4（t） 式中 1.8498%硫酸相对密度(3) 分离前谷氨酸含量：1400084%=11760（kg） 式中 84%谷氨酸提取率(4) 谷氨酸分离洗水量 每日：1400020%=2800（kg）全年280032010-3=896（t）(5) 加晶种量（按发酵液0.2%计） 每日：2357040.2%=471.5（kg）全年471.532010-3=150.9（t）(6) 结晶后母液量 每日：235704+4717.34-14000=226421.34（kg）全年226421.3432010-3=72454.9(t) 2.4 5000t/a谷氨酸提取车间物料衡算表由上述计算，得出5000t/a味精厂提取车间的物料衡算结果。具体如下表物料名称每日物料量（）年物料量（t）原料（发酵）液23570475425.3结晶后母液量226421.3472454.998%硫酸用量8485.42715.4谷氨酸量1400044800分离洗水量2800896晶种投入量471.5150.93、谷氨酸提取车间热量衡算 3.1提取车间热量衡算的意义和具体计算 （1）热量衡算的意义a.通过热量衡算，计算生产过程能耗定额指标。应用蒸汽等热量消耗指标，可对工艺设计的多种方案进行比较，以选定先进的生产工艺；或对已投产的系统提出改造或革新，分析生产过程的经济合理性、过程先进性，并找出生产上存在的问题。b.热量衡算的数据是设备类型的选择及确定其尺寸、台数的依据。c.热量衡算是组织和管理、生产、经济核算和最优化的基础。热量衡算的结果有助于工艺流程和设备的改进，达到节约能源、降低生产成本的目的。（2）热量的具体计算工艺技术基础数据：年产纯度99%味精5000t；提取工艺在34h左右完成；成熟发酵液量235704kg；发酵液的比热容 3.97 kJ/（kg）；母液量226421.34kg；母液的比热容4.03 kJ/（kg）；发酵液从30降到5需要14h左右；谷氨酸的比热容1.189kJ/(kgK)；谷氨酸晶体溶解热23.25（kJ/mol）；98%硫酸的溶解热92（kJ/mol）； 原料液带入热量Q1Q1=m1c1T1=2357043.9730=28072346.4（kJ）式中 c1原料液的比热容，3.97 kJ/（kg）； T1原料液的温度，； 随母液带走的热量Q2：Q2=m2c2T2=226421.344.035=4562389.9（kJ）式中 c2母液的比热容，4.03 kJ/（kg）；T2母液的温度； 随晶体带走的热量Q3：Q3=m3c3T3 =140001.1895=83230（kJ）式中 c2晶体的比热容，1.189 kJ/（kg）；T2晶体的温度； 硫酸对水的溶解热量Q4：Q4=8485.498%9892103=7806568 谷氨酸结晶时放出的热量Q5（kJ），数值等于谷氨酸溶解热：Q5=1400014723.24103=2213334（kJ） 冷却所带走的热量Q6：Q6=Q1-Q2-Q3+Q4+Q5=33446628.5(kJ) 平均每小时冷却带走的热量Q：Q= Q614= 2389044.893（kJ）3.2提取车间热量衡算表表3 8000t/a味精厂提取车间的热量衡算表进入系统离开系统项目每天的热量（kJ）项目每天的热量（kJ）原料液28072346.4母液4562389.9硫酸溶解7806568晶体带走83230晶体结晶2213334冷却带走33446628.5合计38092248.4合计38092248.4第四章 设备设计选型1、发酵罐1.1发酵罐的选型评价发酵罐技术性能的主要尺寸是体积氧系数KLa；平均经济性能的依据是溶氧效率g。当前，我国谷氨酸发酵站统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐，即通用罐。主要是因为其历史悠久，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。选用机械涡轮搅拌通风发酵罐1.2生产能力、数量和容积的确定发酵罐容积的确定：选用100m3罐 ，因为单罐容量越大，经济性能越好，并且应当尽量减少设备数量，在技术管理水平允许的范围内，尽量取较大容量的发酵罐。 生产能力的计算：现每天生产99%纯度的味精16t，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 。每天产纯度为99%的味精16t，每吨100%的味精需糖液14.24m3设发酵罐的填充系数=70%；则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V0（发酵周期为48h）。发酵罐个数的确定：公称体积为100m3的发酵罐，总体积为118 m3 取公称体积100 m3 发酵罐6个 实际产量验算：富裕量 能满足产量要求1.3主要尺寸的计算取高径比 H：D=2：1（发酵工厂工艺设计概论） 则有：H=2D；解方程得： 取D=4mH=2D=8m；封头高： 封头高： 封头容积 ：V封=8.35（m3）圆柱部分容积：V筒=100.48m3验算全容积V全：V全=V全符合设计要求，可行。1.4冷却面积的计算对谷氨酸发酵，每1m3发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为4.186000kJ/(m3h)。（发酵工厂工艺设计概论）采用竖式蛇管换热器，取经验值K=4.18500 kJ/(m3h) 8。平均温差tm： 32 3220 27125代入 对公称容量100 m3的发酵罐，每天装3罐，每罐实际装液量为换热面积 1.5搅拌器计算选用六弯叶涡轮搅拌器 该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系搅拌器叶径取d=1.3（m）叶宽 ：弧长：底距：盘踞 ：叶弦长：叶距 ：弯叶板厚：=12（mm）取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，转速N1=110r/min。以等P0/V为基准放大求得：参考生物工程设备1.6搅拌轴功率的计算 淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。计算Rem8 式中 D搅拌器直径，D=1.3m N搅拌器转速， 醪液密度，=1050 kg/m3 醪液粘度， =1.310-3Ns/m2 将数代入上式：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P0：式中 Np在湍流搅拌状态时其值为常数4.7 N搅拌转速，N=95r/min=1.58r/s D搅拌器直径，D=1.3m 醪液密度，=1050kg/m3 代入上式：两挡搅拌：计算通风时的轴功率Pg 式中 P0不通风时搅拌轴功率（kW），N轴转速，N=95r/min D搅拌器直径（cm），D3=1.33106=2.2106 Q通风量（ml/min），设通风比VVm=0.110.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。现取0.11；则Q=79.10.11106=8.7106（ml/min） 代入上式：求电机功率P电：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%7；代入公式数值得： 1.7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1334mm。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7 最高负荷下的耗水量W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 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 将各值代入上式冷却水体积流量为1.78210-2m3/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：式中 W冷却水体积流量，W=1.78210-2m3/s V冷却水流速，v=1m/s代入上式：进水总管直径 ： 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=8，求管径。由上式得：查金属材料表选取633.5mm无缝管9， ，认为可满足要求，。现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为： 冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积现取无缝钢管633.5mm，每米长冷却面积为则:冷却管占有体积： 每组管长L0和管组高度：另需连接管8m：可排竖式直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm。设发酵罐内附件占有体积为0.5m3，则：总占有体积为则筒体部分液深为：竖式蛇管总高 又两端弯管总长，两端弯管总高为500mm，则直管部分高度：则一圈管长： 每组管子圈数n0：现取管间距为，竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出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：而前有F=112.24m2，可满足要求。1.8设备材料的选择 选用A3钢材制作。1.9发酵罐壁厚的计算 计算法确定发酵罐的壁厚S （cm）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=400cm A3钢的应用应力