800t味精发酵车间发酵罐的设计

湖北理工学院 生物工艺设计 生物工艺设计生物工艺设计 大型作业大型作业 题题 目 目 800t a 味精发酵车间发酵罐的设计 学学 院 院 化学与材料工程学院 专专 业 业 生物工程 小组成员小组成员 杨周 徐何界 张莲 罗赐龙 指导教师 指导教师 黄卫东 刘颋 2013 年 12 月 25 日 湖北理工学院 生物工艺设计 目录 前言 1 1 味精简介 1 1 1 味精的性质 1 1 2 味精工业发展历程 1 1 3 我国味精工业发展现状 2 1 4 我国味精行业的发展对策 2 正文 4 1 工艺设计 4 1 1 味精发酵的总流程图 4 1 2 原料及预处理 4 1 3 淀粉的水解糖制备 5 1 4 淀粉的液化 6 1 5 种子扩大培养 6 1 6 谷氨酸的发酵与控制 7 1 7 谷氨酸的提取 8 1 8 谷氨酸制取味精及味精成品加工 8 2 工艺计算 9 2 1 工艺技术指标及基础指标 9 2 2 谷氨酸发酵车间的物料衡算 9 2 3 热量衡算 11 3 发酵罐的设计与选型 13 3 1 发酵罐简介 13 3 2 发酵罐容积的确定 13 3 3 生产能力的计算 14 3 4 发酵罐个数的确定 14 3 5 主要尺寸的计算 14 3 6 冷却面积的计算 15 3 7 搅拌器计算 15 3 8 搅拌轴功率的计算 16 3 9 设备结构的工艺计算 17 3 10 最高负荷下的耗水量 W 17 3 11 冷却管组数和管径 18 3 12 冷却管总长度 L 计算 18 3 13 冷却管占有体积 18 3 14 设备材料的选择 19 3 15 发酵罐壁厚的计算 19 3 16 接管设计 20 4 计算结果汇总 21 参考文献 22 湖北理工学院 生物工艺设计 1 前言 1 味精简介 1 11 1 味精的性质味精的性质 味精 化学名称为 L 谷氨酸钠 sodium L glutamate 全称为 L 谷氨酸单钠 一 水 化 物 或 L 氨 基 戊 二 酸 单 钠 一 水 化 物 monosodium L glutamate monohydrate MSG 是谷氨酸的一种钠盐 C 5 H 8 NO 4 Na 为有鲜味的 物质 学名叫谷氨酸钠 亦称味素 此外还含有少量食盐 水分 脂肪 糖 铁 磷等物质 味精是鲜味 调味品类烹饪原料 以小麦 大豆 玉米等含蛋白质较多 的原料经水解法制得或 以淀粉为原料经发酵法加工而成的一种粉末状或结晶状的 调味品 也可用甜菜 蜂蜜等通过化学合成制作 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 因为味 精里含有大量的谷氨酸 是人体所需要的一种 氨基酸 96 能被人体吸收 形成 人体组织中的蛋白质 它还能与血氨结合 形 成对机体无害的谷氨酰胺 解除组 织代谢过程中所产生的氨的毒性作用 又能参 与脑蛋白质代谢和糖代谢 促进氧 化过程 对中枢神经系统的正常活动起良好的 作用 味精具有吸湿性 味道极 为鲜美 溶于 3000 倍的水中仍具有鲜味 其最佳 溶解温度为 70 90 味 精在一般烹调加工条件下较稳定 但长时间处于高温 下 易变为焦谷氨酸钠 不 显鲜味且有轻微毒性 在碱性或强酸性溶液中 沉淀 或难于溶解 其鲜味也不明 显甚至消失 它是既能增加人们的食欲 又能提供一 定营养的家常调味品 相对 分子质量 187 13 味精是无色无味至百色的柱状结晶或白色的结晶性粉末 斜方晶系柱状八 面体 相对密度 1 635 视相对密度 0 80 0 83 比旋光度 a 20 D 24 8 25 3 PH 值 7 0 熔点 1950 在 1250 以上失去结晶水 热稳定性 常温 1000 脱湿 1000 1200 稳定 1200 1300 失去结晶水 1300 1700 稳定 1700 2500 分子内 脱水 2400 2800 热分解 2800 及以上炭化 1 21 2 味精工业发展历程味精工业发展历程 味精不但是人民生活中的主要调味品 而且是食品工业中的一种高利税产品 尤其是受原材料市场充裕 价格便宜的诱发 自 80 年代以来 它吸引着国内许许 湖北理工学院 生物工艺设计 2 多 多生产者 整个行业呈现突飞猛进的势态 80 年我国味精产量只有 3 1 万吨 到 91 年已经发展到 200 多家企业 味精产量达到 27 16 万吨 年发展速度达 到 121 81 在以味精 啤酒 白酒 糖 卷烟 五项农产品为原种的工业品中 味精发展速度 最快 最近几年随着社会主义经济由计划向市场经济的转变一方面 由于原材料供应纳入市场调节 原材料价格翻番上涨 导致味精生产成本价格急 剧上升 另一方面 由于同行业竞争激烈 致使市场疲软 产品严重积压 从而 给整个味精行业带来严峻考验 一些规模较小 效益较低的味精厂面临停产 转 产的危机 1 31 3 我国味精工业发展现状我国味精工业发展现状 我国味精产业的产量发展很快 1985 年为 1975 年的 6 7 倍 而 1990 年 为 1980 年的八倍 1991 年我国的味精总产量为 27 万吨 是 1965 年的 64 7 倍 近几年更是迅猛发展 2004 年产量达到 110 万 2004 2008 年味精产量以 年平均增长率为 13 6 的速度增长 目前我国味精主要 集 中在十几家大型企业 山东 河南 河北三地产量占全国总产量近 80 根据国家统计局统计的数据 2010 年前 8 个月 我国味精制造行业的总资产达到 311 6 亿元 同比增长 23 81 总销售收入为 287 2 亿元 同比增长了 20 72 现状近年来 由于国 家产业政策不断地调整 清洁生产及排污标准的实施和科技水平不断的提升 使 得味精的生产及产品质量都得到了不断的完善 双酶法生产技术 及 新型浓缩 等电结晶工艺偶联膜处理提取技术 的广泛应用使得味精行业的提取率 收率和 能耗等指标均有较大程度的改善 随着科学技术的不断进步 味精生产技术也在 不断变革 由创建之初的以面筋 豆粕为原料水解法生产工艺改变为现在以糖质 为原料发酵法生产工艺 发酵法制造味精的生产技术进步较大 尤其近几年进展 更快 无论菌种还是工艺方法及装备水平都在逐步缩小与国际间的差距 尽管我 国味精工艺技术指标水平进步很快 但与国际先进水平仍有较大差距 1 41 4 我国味精行业的发展对策我国味精行业的发展对策 当前我国味精行业提高经济效益的发展对策是 合理利用原材料 采用新菌 种 新工艺 新技术 新设备 提高技术水平 防止噬菌体污染 节能降耗 逐 步实现自动控制 提高劳动生产率全面降低成本 参与国际竞争 同时搞好废水 湖北理工学院 生物工艺设计 3 治理 提高环境和社会效益 采用新工艺 新技术 提高技术水平降低成本 增 加经济效益的关键是提高技术水平 改进发酵工艺 提高发酵水平 采用高生物 素添加青霉素流加糖工艺 重量大 生物素丰富 菌体生长快 添加青霉素后 产算快 产算高 周期短 由于发酵前期菌体量多 又同步进入生产型 产算速度很快 发酵后期虽然 流加糖量大 但这是菌体浓度与生物素 亚适量 工艺的菌体弄度差不多 对产 算速度影响不大 改进提取工艺 提高提取收率 该井等电点工艺 采用连续等电 点和避免生成 型结晶的技术措施 同时研究新型的沉降式离心机分离菌体 结 合膜浓 缩的研究 提取收率可高达 95 发酵罐的大型化 自动化 达到稳定生 产水平 提高效率 降低动力消 耗和操作费用 发酵过程中应事先自动控制 避 免人工操作误差 这是稳定生产的关键环节 尤其是温度 pH 风量 风量 罐 压 流加糖等计数操作应自动控制 选用无油润滑的螺杆式空压机 改造传统的 空气净化设备 选板式换热器用培养基灭菌 三只一组 节约蒸汽和冷却水 引进 世界生产的较先进高速离心机 提高收率 灌水含水可达 8 连续操作 减轻劳动 强度 加强废水治理和综合利用 提高环境效益 味精废水排放标准已颁布 各 厂应达标排放 提高环境效益 废液制酵母已 有成功经验 要推广应用 深化改 革 降低产品成本 参与国际竞争 强化企业内部改革 调动职工积极性 彻底防 止噬菌体污染 采用新工艺 节能降耗 降低产品的生产成本 提高竞争能力 扩大产品销售市场 跳出单一产品模式 开发多种类产品 提高企业的抗风险能 力 发展高科技 如 用重组 DNA 技术选育高产优良菌种 电子计算机和各种传 感器控制发酵生产过程 利用固定化微生物生产谷氨酸 以 CO 2 和 N 2 为原料 酶法合成谷氨酸等 湖北理工学院 生物工艺设计 4 正文 1 工艺设计 1 11 1 味精发酵的总流程图味精发酵的总流程图 1 21 2 原料及预处理原料及预处理 1 2 1 原料的种类 湖北理工学院 生物工艺设计 5 发酵生产谷氨酸的原料主要是淀粉 其次还有非粮食淀粉原料 淀粉来自粮食 原 料 通常利用各种各样的淀粉 如北方常用玉米淀粉 南方常用番薯淀粉等 非 粮淀粉原料主要指甜菜或甘蔗蜜糖 醋酸 乙醇 正烷烃等 1 2 2 原料预处理 其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 用于除杂的设备为筛选机 常用的是振动筛和转筒 筛 其中振动筛的结构较为简单 使用方便 用于原料粉碎的设备有盘磨机 锤 式粉碎机和辊式粉碎机 盘磨机广泛用于磨碎大米 玉米 豆类等物料 而锤式 粉碎机应用于薯干等脆性原料的中碎和细碎作用 辊式粉碎机主要用于粒状物料 的中碎和细碎 预处理的主要目的是为了降低生物素的含量 因为预处理主要是 糖蜜的处理 糖蜜中含有过量的生物素 会导致菌体不产谷氨酸的后果 从而影 响谷氨酸的积累和提取 预处理的方法 活性炭处理法 用盐酸水解糖蜜后再吸 附 树脂处理 通过脱色树脂交换柱 1 31 3 淀粉的水解糖制备淀粉的水解糖制备 在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化 所制得的糖业称 淀粉水解糖 由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或者糊精做碳源 因而必须将 淀粉水解为葡萄糖 才能供发酵菌使用 目前水解淀粉的方法有 酸解法 酸酶 法 酶酸法和双酶法 酸解法是传统的制糖方法 是利用无机酸为催化剂 在高 温高压条件下 淀粉水解转化为葡萄糖的方法 该法具有工艺简单 水解时间短 生产效率高 设备周转快的优点 缺点是在水解过程中副反应生成的副产物多 影响糖液纯度 使淀粉转化率降低 采用酸解法生产的糖液 一般 DE 值只 90 左 右 而且对淀粉原料要求严格 不能受用粗淀粉 而要求纯度较高的精制淀粉 而且要求设备耐腐蚀 耐高温 耐压 酸酶法是先将淀粉用酸水解成糊精或者低 聚糖 然后用糖化酶将其水解为葡萄糖的工艺 其酸用量少 产品颜色浅 糖液 质量高 但是适用于淀粉颗粒紧密的原料 酸酶法工艺主要是将淀粉乳先用 淀粉酶液化 然后用酸水解成葡萄糖的工艺 该工艺适用于大米或粗淀粉原料 可省去大米或粗淀粉原料加工成精制淀粉的生产过程 避免淀粉在加工过程中的 大量流失 与加工成精制淀粉比较 一般可提高原料利用率 15 左右 双酶法 也称酶解法 它是通过淀粉酶液化和糖化酶糖化将淀粉转化为葡萄糖的工艺 双 湖北理工学院 生物工艺设计 6 酶法可分为两步 第一步是液化过程 用 淀粉酶将淀粉液化 转化为糊精及 低聚糖 使淀粉的可溶性增加 第二步是糖化 利用糖化酶将糊精或低聚糖进 一 步水解 转变为葡萄糖 此法所得糖液纯度高 DE 值可达 98 以上 每 100 份 淀粉能得到 108 份葡萄糖 已接近理论产率 111 份葡萄糖 现国内许多味精厂 采用的双酶法制糖工艺 其主要优点为 糖液质量高 糖粉对糖转化率高 工艺 条件温和 耗能少 副产物少 对原料的适应性强 利于发酵和提取 工艺流程 为 原料 粉碎 加水 液化 糖化 淀粉水解糖 1 41 4 淀粉的液化淀粉的液化 淀粉液化的方法很多 有间歇液化法 连续进出料液法 喷射液化法 分段 液化法等 间歇液化法 液化是在密闭的液化锅内进行 把调节淀粉乳浓度 用 纯碱溶液调 pH 至 6 2 6 4 加入适量氯化钙 使钙离子浓度为 0 01mol L 加 入需要的 淀粉酶 搅拌均匀后 输入液化锅内 在保持锅内料液充分翻腾下 加热到 88 90 保温 20 30min 左右 用碘液检查打到液化完全为止 再加热 100 灭酶 15min 连续进出料液法 设备要求简单 一般在开口的装有小搅拌器 的液化管的液化锅中进行 上层锅口接近液面处装有输送淀粉乳的环形喷淋管 下面装有分段的蒸汽加热器 将淀粉乳调整好 pH 值和钙离子浓度 按规定加入 需要量的淀粉酶 把淀粉乳用泵连续输送 经环形喷淋管进入液化层 上层蒸汽 管加热器 始终控制液温在 88 90 使淀粉受热液化 经过盘管加热保温 液化 液由锅的底部连续流出 达到需要液化的程度 连续喷射法 是利用喷射器将蒸 汽直接喷射入淀粉乳薄层 在短时间 内达到要求的温度 经层流罐保温 再经灭 酶 使之迅速完成淀粉的糊化 液化 采用该法液化均匀 完全 可实现连续化 生产 1 51 5 种子扩大培养种子扩大培养 现代的发酵工业生产规模越来越大 每只发酵罐的容积有数十立方米 甚至数 百立方米 要使微生物在数十小时的较短时间内完成如此巨大的发酵转化的任务 那就必须具备数量巨大的微生物细胞群体才行 菌种的扩大培养就是要为每次发 酵提供相当数量的代谢旺盛的种子 目前我国各工厂使用的菌株主要是钝齿棒杆 菌和北京棒杆菌及各种诱变株 生长特点 适用于糖质原料 需氧 生长因子 湖北理工学院 生物工艺设计 7 种子扩大培养是指将 保存在砂土管 冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入 试管斜面活化后 再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质 量的纯种过程 这些纯种培养物称为种子 国内谷氨酸发酵种子扩大培养普遍采 用二级种子扩大培养的流程 即 斜面培养 一级种子培养 二级种子培养 发 酵罐 1 5 1 种子培养基组成 种子培养基 水解糖 2 5 糖蜜 2 玉米浆 1 MgSo4 0 04 K2HPO4 0 1 尿素 0 35 消泡剂 0 03 含有丰富的氮源 足够的生物素 少量的碳源 以利于菌体生长 如果糖分过多 菌体代谢活动旺盛 产生有机酸 使 pH 降低 菌种容易衰老 1 5 2 影响种子质量的主要因素 温度 幼龄菌对温度变化敏感 应避免温度过高 波动过大 pH 值 不宜过 高 培养结束 pH 不宜过低 pH 上升后有所下降时 培养时间已接近结束 溶解 氧 长菌阶段对氧的要求比发酵时低 溶氧水平过高 抑制长菌 接种量 接种 量过少 菌体增长缓慢 适应期长 培养时间 影响种子活力 但种量过大 在 拼瓿操作中易引起污染 一般接种量为 1 左右为宜 糖蜜发酵加种量要大于淀粉 质原料 培养时间 培养时间不宜太长 以 7 8h 为好 掌握对数生长期作为种 子接入发酵罐 1 61 6 谷氨酸的发酵与控制谷氨酸的发酵与控制 以淀粉 大米水解糖为原料 发酵法生产谷氨酸的基本要素 是采用优良的 菌株和控制合适的环境条件 谷氨酸生产菌所以能够在体内合成谷氨酸 并排出 体外 关键是菌体的代谢异常化 即长菌型细胞在生物素贫乏条件下 转变成伸 长 膨大的产酸型细胞 这种代谢异常化的菌种对环境条件是敏感的 由此可见 谷氨酸发酵是一个复杂的生化过程 它是建立在容易变动的代谢平衡上的 经常 收到环境条件的影响 菌种的性能越高 使其表达接近它应有的生产潜力所必须 的条件就越难满足 对环境条件波动越敏感 故要想获得高酸 高转化率 高效 益的谷氨酸发酵生产 除了选择优良的谷氨酸生产菌外 还必须按所用菌株的特 性 选择适宜的发酵工艺 控制最佳的发酵工艺条件 1 6 1 发酵培养基的组成 湖北理工学院 生物工艺设计 8 谷氨酸发酵培养基 水解糖 15 糖蜜 0 3 玉米浆 0 2 MgSo4 0 04 KCl 0 12 Na2HPO4 0 16 尿素 4 消泡剂 0 04 1 6 2 发酵条件的控制 谷氨酸发酵过程可分为三个阶段 长菌阶段 长菌型细胞向产酸型细胞的转 移阶段与产酸阶段 发酵条件控制一般包括 发酵过程温度的控制 pH 种龄与 种量的控制 泡沫控制 排气 CO 2控制 通风与 OD 值的控制以及菌体形态变化 与 OD 的变化等 1 71 7 谷氨酸的提取谷氨酸的提取 从谷氨酸发酵液中提取谷氨酸制成味精要经过以下工艺过程 谷氨酸加水溶 解 用碳酸钠或氢氧化钠中和 经脱水 除铁 钙 镁等离子 再经蒸发浓缩 结晶 分离 干燥 筛选等单元操作 得到高纯度的晶体粉末或粉末味精 这个 生产过程称为 制造味精 精制得到的味精称为 散味精 1 81 8 谷氨酸制取味精及味精成品加工谷氨酸制取味精及味精成品加工 精制车间加工的谷氨酸产品为谷氨酸单钠 即味精 粗品经提纯 加工 包 装 得到成品 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 干燥床应用效果更好些 湖北理工学院 生物工艺设计 9 精生产流程 2 工艺计算 2 12 1 工艺技术指标及基础指标工艺技术指标及基础指标 指标名称单位指标数指标名称单位指标数 生产规模 t a800 发酵初糖 Kg m3220 生产方法中糖发酵 一次等电点提 取 发酵周期 h40 年生产数 d a300 淀粉糖化转 化率 98 产品日产量 t d2 7 糖酸转化率 60 产品质量纯度 99 谷氨酸提取 率 95 倒灌率 0 2 味精对谷氨 酸的精制率 122 2 1 1 主要原材料质量指标 原料淀粉的含量 86 2 1 2 二级种子培养基 g L 种子培养基 水解糖 25 糖蜜 20 玉米浆 10 MgSO4 0 4 K2HPO4 1 尿素 3 5 消泡剂 0 3 2 1 3 发酵培养基 g L 发酵培养基 水解糖 15 糖蜜 3 玉米浆 2 MgSO4 0 4 KCl 1 2 Na2HPO4 1 6 尿素 40 消泡剂 0 4 湖北理工学院 生物工艺设计 10 2 22 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 99 的味精需消耗用的原辅材料及其他物料量 2 2 1 发酵液量 V1 V1 1000 220 x60 x95 x99 8 x122 6 55 m3 式中 220 发酵培养基的初糖浓度 Kg m3 60 糖酸转化率 95 谷氨酸提取率 99 8 除去倒灌 0 2 后的发酵成功率 122 味精对谷氨酸的精制产率 2 2 2 发酵液配制需水解糖量 G 1 以纯糖算 G 1 V1x220 6 55x220 1441 Kg 2 2 3 二级种液量 V 2 V2 2 xV1 0 02x6 55 0 131 m3 2 2 4 二级种子培养液所需水解糖量 G2 G 2 25V2 25x0 131 3 275 Kg 式中 25 二级种液含糖量 kg m3 2 2 5 生产 1000Kg 的 100 味精需水解糖总量 G 为 G G1 G2 1444 275 Kg 2 2 6 耗用淀粉原料量 理论上 100kg 淀粉转化生成葡萄糖量为 111kg 故理论上耗用的淀粉量 G 淀 粉为 G 淀粉 G 86 x98 x111 1543 84kg 式中 86 淀粉原料含纯淀粉量 98 淀粉糖转化率 2 2 7 尿素耗用量 二级种液耗尿素量为 G3 3 5xV2 3 5x0 131 0 4585 kg 发酵培养基耗尿素为 G4 40 xV1 40 x6 55 262 kg 故共消耗尿素量为 G尿素 G3 G4 262 45859 kg 湖北理工学院 生物工艺设计 11 2 2 8 甘蔗糖蜜 G 用量 二级种液耗用糖蜜量 G5 20 xV2 20 x0 131 2 62 kg 发酵培养基耗糖蜜量 G6 3xV1 3x6 55 19 65 kg G 糖蜜 G5 G6 22 27 kg 2 2 9 氯化钾耗量 Gkcl Gkcl 1 2xV1 1 2x6 55 7 86 kg 2 2 10 磷酸氢二钠 Na2HPO4 7H2O 耗量为 G7 G7 1 6xV1 10 48 kg 2 2 11 硫酸镁 MgSO4 7H 2O 耗量为 G 8 G8 0 4xV2 0 4x0 131 0 0524 kg 2 2 12 消泡剂耗用量 G11 发酵种液耗用糖蜜量 G9 0 4xV1 0 4x6 55 2 62 kg 二级培养基耗糖蜜量 G10 0 3xV2 0 3x0 131 0 0393 kg G11 G9 G10 2 62 40 0393 2 6593 kg 2 2 13 谷氨酸理论量 G12 G12 G1x60 1 0 2 847 308 kg 实际生产的谷氨酸 提取率 95 G13 为 G13 G12 x95 804 9426 kg 2 2 15 玉米浆用量 G15 二级种液耗用糖蜜量 G13 10 xV1 10 x0 131 1 31 kg 发酵培养基耗糖蜜量 G14 2xV2 2x6 55 13 1 kg G15 G3 G14 1 31 13 1 14 41 kg 2 2 16 年产 800 吨味精厂发酵车间的物料衡算结果 由上述生产 1000kg 味精 100 纯度 的物料结果 可求得 800t a 味精发酵 车间的物料平衡计算 具体计算结果如表 2 2 16 物料名称生产 1t 味精 100 的 物料量 800t a 味精生产的 物料量 每日物料量 发酵液 m3 6 55524017 47 二级种液 m3 0 131104 80 35 发酵水解用糖 kg 144111528003842 7 二级种用糖 kg 3 27526208 73 水解糖总量 kg 1444 2811554203851 4 淀粉用量 kg 1543 8412350744116 91 湖北理工学院 生物工艺设计 12 尿素 kg 262 46209966 88699 89 糖蜜 kg 22 271781659 387 氯化钾 kg 7 86628820 96 磷酸二氢钠 kg 10 488384427 947 硫酸镁 kg 0 0541 920 14 消泡剂 kg 2 6621287 09 玉米浆 kg 14 411152838 43 谷氨酸 kg 804 94643954 082714 51 2 32 3 热量衡算热量衡算 2 3 1 液化加热蒸汽量 2 3 1 1 加热蒸汽消耗量 D 可按下式计算 D GC t2 t1 I 式中 G 淀粉浆量 kg h C 淀粉浆比热容 kJ kg K t1 浆料初温 10 273 293K t2 液化温度 90 273 363K I 加热蒸汽焓 2738kJ kg 0 3Mpa 表压 加热蒸汽凝结水的焓 在 363K 时为 377kJ kg 5 1 2 淀粉浆量 G 根据物料衡算 日投工业淀粉 1543 84Kg 由于为连续化液化 1543 84 24 64 3 Kg h 加水量为 1 2 5 粉浆量为 G 64 3x 3 5 225 14 kg h 5 1 3 粉浆干物质浓度 64 3x 86 x 100 225 14 24 6 2 3 1 4 粉浆干物质 C 可按下式计算 C C0 x C水 100 x 式中 C0 淀粉质比热容 取 1 55kJ kg K X 粉浆干物质含量 24 6 C水 水的比热容 4 18KJ kg K C 1 55x24 6 100 4 18x 100 24 6 100 3 53 kJ kg K 2 3 1 5 蒸汽用量 湖北理工学院 生物工艺设计 13 D 64 3x3 53x 363 283 2738 377 7 68 kg h 灭菌是将液化液由 90 加热至 100 在 100 时的 为 419kJ kg 则灭菌所用蒸汽量 D灭 64 3x3 53x 100 90 2738 419 9 8 kg h 由于要 求在内使液化液由 90 加热至 100 则蒸汽高峰量为 9 8x60 15 39 2 kg h 以上两项合计为 平均量 64 3 9 8 74 1 kg h 每日用量 74 1x24 1778 4 kg h 高峰用量 64 3 39 2 103 5 kg h 3 发酵罐的设计与选型 3 13 1 发酵罐发酵罐简介简介 谷氨酸发酵属于好气性 因此采用机械涡轮搅拌通风发酵罐进行生产 利用 机械搅拌 主要能使空气和发酵液充分混合 提高发酵液的溶解氧 供微生物生 长 繁殖和代谢的需求 3 23 2 发酵罐容积的确定发酵罐容积的确定 选用 10m3罐 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 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 50L 320 mm 640 mm 105 mm 850 mm 6 3 L 52L 58 3L 64 6L 112 mm 470 r m in 0 4 kW 25m m 夹 套 100 L 400 mm 800 mm 125 mm 105 0mm 11 5L 100 L 112 L 123 L 135 mm 400 r m in 0 4 kW 25m m 夹 套 200 L 500 mm 100 0mm 150 mm 130 0mm 21 3L 197 L 218 L 239 L 168 mm 360 r m in 0 6 kW 25m m 夹 套 500 L 700 mm 140 0mm 200 mm 180 0mm 54 5L 540 L 595 L 649 L 245 mm 265 r m in 1 1 kW 35m m 夹 套 1 0 m3 900 mm 180 0mm 250 mm 230 0mm 0 1 12m 3 1 1 4m3 1 2 5m3 1 3 6m3 315 mm 220 r m in 1 5 kW 35m m 夹 套 湖北理工学院 生物工艺设计 14 3 33 3 生产能力的计算生产能力的计算 每天生产 99 纯度的味精 2 7t 谷氨酸的发酵周期为 40h 包括发酵罐清洗 灭菌 进出物料等辅助操作时间 则每天需要糖液体积为 V 糖 每吨 100 的 味精 需发酵液 6 55 m3 V 糖 6 55x2 7x99 17 5m3 设发酵罐的填充系数 75 则每天需要发酵罐的总体积为 V 0 发酵周期为 40h V 17 5x48 2 40 10 5m3 V 0 V 24 10 5x40 24x0 75 23 33m3 3 43 4 发酵罐个数的确定发酵罐个数的确定 公称体积为 10m3的发酵罐 总体积为 V总为 11m3 N 1 V 0 V总24 23 33 x 40 24x0 75x11 3 57 个 即 N 1 4 取公称体积为 100m3发酵罐 3 个 留 1 个备用 实际产量验算 11x0 75x4x24 40 x300 6 55 99 916 t a 富裕量 916 800 800 14 5 能满足产量要求 5 0 m3 150 0mm 300 0mm 400 mm 380 0mm 0 4 87m 3 5 3 m3 5 7 9m3 6 2 7m3 525 mm 160 r m in 5 5 kW 50m m 夹 套 10m 3 180 0mm 360 0mm 475 mm 455 0mm 0 8 26m 3 9 1 5m3 9 9 8m3 10 8m3 630 mm 145 r m in 13 kW 65m m 夹 套 20m 3 230 0mm 460 0mm 615 mm 583 0mm 1 7 6m3 19 1m3 20 86m 3 22 6m3 770 mm 125 r m in 23 kW 80m m 列 管 50m 3 310 0mm 620 0mm 815 mm 783 0mm 4 2 m3 46 8m3 51m 3 55 2m3 105 0mm 110 r m in 55 kW 110 mm 列 管 100 m3 400 0mm 800 0mm 104 0mm 100 80m m 9 0 2m3 100 m3 109 m3 118 m3 135 0mm 列 管 200 m3 500 0mm 100 00m m 130 0mm 126 00m m 16 4m3 197 m3 213 m3 230 m3 170 0mm 列 管 湖北理工学院 生物工艺设计 15 3 53 5 主要尺寸的计算主要尺寸的计算 取高径比 H D 2 1 V全 V筒 2V封 11 m 3 则有 V全 0 785 D 2 x 2 D x2 12D 11 解方程得 D 1 737 取 D 1 8m H 2D 3 6m 查表可得封头高 H 封 475 mm 验算全容积 V 全 V 全 V筒 2V封 10 8 m V 全 V 全 符合设计要求 可行 3 63 6 冷却面积的计算冷却面积的计算 对谷氨酸发酵 每 1m 发酵液 每 1h 传给冷却器的最大热量约为 4 18x 6000kJ m h 采用竖式列管换热器 取经验值 K 4 18x500 kJ m h 平均温差 tm t m t 1 t 2 ln t 1 t 2 t m 12 5 ln 12 5 8 对公称容量 10 m 的发酵罐 每天装 4 罐 每罐实际装液量为 V液 17 47 2 8 735 m 换热面积 F Q K tm 4 18 x 6000 x 8 735 4 18x500 x8 13 10m 3 73 7 搅拌器计算搅拌器计算 选用六弯叶涡轮搅拌器 其示意图如图所示 湖北理工学院 生物工艺设计 16 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 Di D 3 1 8 3 0 6 m 取 d 0 6 m 叶宽 B 0 2d 0 2 x 0 6 0 12 m 弧长 l 0 375d 0 375 x 0 6 0 225 m 底距 C D 3 1 8 3 0 6 m 盘踞 d i 0 75 Di 0 75 x 0 6 0 45 m 叶弦长 L 0 25 Di 0 25 x 0 6 0 15 m 叶距 Y D 1 8 m 弯叶板厚 12 mm 取两挡搅拌 搅拌转速 N2 可根据 50m 罐 搅拌直径 1 05m 转速 N1 110r min 以等 P0 V 为基准放大求得 N 2 N1 D 1 D 2 2 3 110 x 1 05 0 6 2 3 160r min 3 83 8 搅拌轴功率的计算搅拌轴功率的计算 淀粉水解糖液低浓度细菌醪 可视为牛顿流体 3 8 1 计算 Rem Re m D N 式中 D 搅拌器直径 D 0 6m N 搅拌器转速 N 160 60 2 67 r s 醪液密度 1050 kg m 醪液粘度 1 3x10 3N s m 将数代入上式 Re m 0 6 x 2 67x 1050 1 3 x 10 7 8x105 104视 为湍流 则搅拌功率准数 Np 4 7 3 8 2 计算不通气时的搅拌轴功率 P0 P0 N P N D 5 式中 Np 在湍流搅拌状态时其值为常数 4 7 N 搅拌转速 N 160r min 2 67r s D 搅拌器直径 D 0 6m 醪液密度 1050kg m 湖北理工学院 生物工艺设计 17 代入上式 P0 4 7 x 2 67 x 0 65 x 1050 7304 3 W 7 3 kW 两挡搅拌 P0 2 P0 14 6 kW 3 8 3 计算通风时的轴功率 Pg Pg 2 25 x 10 x P0 ND Q 0 08 0 39 kW 式中 P 0 不通风时搅拌轴功率 kW P0 213 16 N 轴转速 N 160r min D 搅拌器直径 cm D 0 6 x106 2 16x105 Q 通风量 ml min 设通风比 VVm 0 11 0 18 取低限 如通风量变大 Pg 会小 为安全 现取 0 11 则 Q 79 1x0 11x106 8 7x106 ml min Q 0 08 8 7 x 10 6 3 57 代入上式 Pg 9 66 kW 3 8 4 求电机功率 P 电 P电 Pg 1 2 3 x 1 01 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 代入公式数值得 P电 9 66 0 92 0 99 0 98 10 8 kW 3 93 9 设备结构的工艺计算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 133x4mm 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 3 103 10 最高负荷下的耗水量最高负荷下的耗水量 W W W Q总 c P t 2 t1 式中 Q 总 每 1m 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 18 x 6000 x 8 735 2 19 x 10 5 kJ h cop 冷却水的比热容 4 18kJ kg K t2 冷却水终温 t2 27 湖北理工学院 生物工艺设计 18 t1 冷却水初温 t1 20 将各值代入上式 W 2 19 x 10 5 4 18 x 27 20 7 49 x 103 kg h 2 08 kg s 冷却水体积流量为 0 21x10 2m 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 S总 W v 式中 W 冷却水体积流量 W 0 21x10 2m s V 冷却水流速 v 1m s 代入上式 S总 0 21x10 2 1 0 21x10 2 m 进水总管直径 d总 S总 0 785 0 21x10 2 0 785 0 052 m 3 113 11 冷却管组数和管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 d0 S总 n x 0 785 0 21x10 2 8 0 785 0 0313 m 查金属材料表选取 38x3mm 无缝管 d内 32mm d 内 d 0认为可满 足要求 现取竖蛇管圈端部 U 型弯管曲径为 200mm 则两直管距离为 400mm 两端弯 管 l0 l 0 D 3 14 x 400 1256 mm 3 123 12 冷却管总长度冷却管总长度 L L 计算计算 由前知冷却管总面积 F 13 1 m 现取无缝钢 38x3mm 每米长冷却面积 为 F0 3 14x0 032x1 0 10 m 则 L F F0 13 1 0 10 131 m 冷却管占有体积 V管 0 785 x 0 038 x131 0 15 m 湖北理工学院 生物工艺设计 19 3 133 13 冷却管占有体积冷却管占有体积 3 13 1 每组管长 L0和管组高度 L0 L n 131 8 16 375 m 另需连接管 8m L实 L 8 131 8 139 m 可排竖式直蛇管的高度 设为静液面高度 设发酵罐内附件占有体积为 0 2m 下部可伸入封头 250mm 则 总占有体积为 V总 V液 V附件 8 738 0 2 8 938 m 则筒体部分液深为 V总 V封 S 截 10 8 0 82 0 785x1 8 3 12 m 竖式蛇管总高 H 管 3 12 0 25 3 37 m 又两端弯管总长 l 0 1256mm 两端弯管总高为 400mm 则直管部分高度 h H 管 500 3370 400 2970 mm 则一圈管长 l 2h l 0 2x2970 1256 7196 mm 3 13 2 每组管子圈数 n0 n0 L0 l 16 375 7 196 2 3 圈 取 3 圈 现 取 管 间 距 为 2 5 D外 2 5 x 0 038 0 095 m 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 3 13 3 校核布置后冷却管的实际传热面积 F实 d 平均L实 3 14 x 0 032 x 139 13 97 m 而前有 F 13 1 m F实 F 可满足要求 3 143 14 设备材料的选择设备材料的选择 选用 A3 钢制作 以降低设备费用 3 153 15 发酵罐壁厚的计算发酵罐壁厚的计算 3 15 1 计算法确定发酵罐的壁厚 S S PD 2 P C cm 式中 P 设计压力 取最高工作压力的 1 05 倍 现取 P 0 4MPa 湖北理工学院 生物