年产5.3万吨一水柠檬酸工厂种子罐的设计--生物化学工程课程设计

生物化学工程课程设计课题名称年产53万吨一水柠檬酸工厂种子罐的设计学生姓名学号专业生物工程班级成绩指导教师设计时间环境与生物工程学院目录摘要1ABSTRACT21前言311柠檬酸的性质和用途312柠檬酸的来源和发展情况32生产工艺421生产方法422工艺流程423操作工艺5231原料的处理5232发酵工序5233醪液处理工序6234提取工段6235精制工段63工艺计算书731物料衡算7311工艺技术指标及基础数据7312原料消耗计算（基准一吨成品柠檬酸）7313发酵醪量的计算8314接种量8315液化醪量计算8316成品柠檬酸8317淀粉质原料年产14万吨一水柠檬酸厂总物料衡算932热量衡算9321液化热平衡计算9322发酵过程中的蒸汽耗量的计算10323发酵过程中的冷却水耗量计算11324发酵过程中的无菌空气耗用量的计算1233发酵罐的选型12331发酵罐容积和台数的确定13332主要尺寸的计算14333发酵罐冷却面积的计算14334发酵罐搅拌器的设计15335发酵罐设备结构的工艺设计16336发酵罐设备材料的选择18337发酵罐壁厚的计算18338发酵罐接管设计19339发酵罐支座的选择2034贮罐选型20341发酵成熟醪贮罐20342硫酸銨贮罐20结论21参考文献22谢辞23年产14万吨一水柠檬酸工厂种子罐的设计摘要本设计采用薯干原料发酵，只需将薯干磨成粉，加水调浆，直接加入少量淀粉酶液化后灭菌、冷却即可接种发酵。制备柠檬酸一般采用晒干的薯干作为原料。其中薯干含水1015、淀粉70左右、蛋白质6左右。薯干原料中的蛋白质可作为氮源供菌体生长。薯干原料中含有铁、镁、钾、钙等的无机盐，选用的黑曲霉C0527对这些成分不敏感,故不必对原料做这方面的预处理。本设计采用液体深层好氧发酵、钙盐法提取技术生产柠檬酸。这两种方法都是国内比较流行的生产方法，有着大量的实际经验，易于操作，风险小。由于本设计为种子罐的工艺计算、设备选型。通过全厂物料衡算、车间热量衡算，确定种子罐的设计和选型。本设计还包括种子罐图，工艺流程图。关键词薯干；深层好氧发酵；黑曲霉；柠檬酸；设备设计和选型ABSTRACTTHISDESIGNUSESFERMENTATIONOFDRYRAWMATERIALS,JUSTDRYPOWDER,ADDWATERANDSLURRY,DIRECTLYINTOTHESMALLAMOUNTSOFAMYLASELIQUEFACTIONAFTERSTERILIZATION,COOLINGCANBEINOCULATEDFERMENTATIONPREPARATIONOFCITRICACIDGENERALLYUSEDRIEDDRIEDPOTATOESASRAWMATERIALDRYWATER1015AROUND70,STARCH,PROTEINSAROUND6PROTEINSINTHEDRYRAWMATERIALSCANBEUSEDASNITROGENSOURCEFORBACTERIALGROWTHDRYRAWMATERIALSCONTAININGINORGANICSALTSSUCHASIRON,MAGNESIUM,POTASSIUM,CALCIUM,SELECTIONOFASPERGILLUSNIGERC0527INSENSITIVETOTHESEINGREDIENTS,SONOPRETREATMENTOFTHERAWMATERIALSTODOITTHISDESIGNUSESSUBMERGEDAEROBICFERMENTATIONOFCITRICACID,CALCIUMSALTEXTRACTIONTECHNOLOGYTOPRODUCEBOTHOFTHESEMETHODSAREMOREPOPULARINCHINA,HAVESIGNIFICANTPRACTICALEXPERIENCE,EASYTOOPERATE,RISKBECAUSEOFTHISDESIGNFORPROCESSCALCULATIONOFSEEDINGTANK,DEVICESELECTIONTHROUGHTHEWHOLEMATERIALBALANCE,PLANTHEATBALANCE,DETERMINETHEDESIGNANDSELECTIONOFSEEDTANKTHISDESIGNALSOINCLUDESSEEDINGTANK,FLOWCHARTKEYWORDSDRYDEEPAEROBICFERMENTATIONASPERGILLUSCITRICACIDEQUIPMENTDESIGNANDSELECTION1前言11柠檬酸的性质和用途柠檬酸（CITRICACID），学名为2羟基丙烷三羧酸，结构为分子量19214，是一种重要的有机酸。无色晶体，常含一分子结晶水，无臭，有很强的酸味，易溶于水。其钙盐在冷水中比热水中易溶解，此性质常用来鉴定和分离柠檬酸。结晶时控制适宜的温度可获得无水柠檬酸。柠檬酸在自然界分布很广，主要存在于柠檬、柑橘、菠萝等。柠檬酸具有宜人风味、高的水溶性和强的金属螯合力，长期以来占据食用酸味剂70左右的市场份额，除可口可乐和纯果汁以外，几乎所有的饮料（包括固体和液体）都使用柠檬酸作为酸味剂，通常的添加量为02504（M/M）。柠檬酸在化学技术上可作化学分析用试剂，用作实验试剂、色谱分析试剂及生化试剂；用作络合剂，掩蔽剂；用以配制缓冲溶液。此外，食品加工和奶制品也添加柠檬酸或柠檬酸盐。据不完全统计，使用柠檬酸的食品或药品（如化学药的枸橼酸盐）约有上千种之多。柠檬酸除用于食品和医药工业外，最大的用途是代替三聚磷酸钠作为洗涤剂的助洗剂，20世纪90年代初，国外还有人发现柠檬酸加入混凝土中可作为一种“减水剂”，并能提高混凝土的凝固强度。可以认为，柠檬酸早已成为现代食品、医药业、日化行业及其他工业的通用原料1。12柠檬酸的来源和发展情况1784年瑞典科学家SCHEELE首次从柠檬汁中结晶出固体柠檬酸。1860年意大利开始用添加石灰乳的方法从果汁中得到柠檬酸，从而进行了工业化生产。直到20世纪初，柠檬酸主要是从柠檬中提取产量很低，主要应用于食品工业和洗涤剂，主要产地以意大利的西西里岛为主。1893年德国微生物学者WEHMER发现一种青霉能够积累柠檬酸，但未能实现工业化生产。1917年，美国学者CURRIE发现了一株产柠檬酸的黑曲霉，并通过美国的PFIZER辉瑞公司于1923年采用浅盘发酵实现了工业化生产，原料主要是糖蜜。1952年，美国的MILES公司首先成功地采用液体深层发酵工业化规模生产柠檬酸。由于这种新工艺比传统的浅盘工艺有更多的优越性，因而推动了世界柠檬酸工业的迅速发展，深层发酵法也成为柠檬酸发酵生产的主要工艺。到2000年，全球柠檬酸的年生产能力在90万吨以上，并一直保持比较平稳的发展速度2。我国柠檬酸发酵工业在1949年以前是个空白。1969年上海酵母厂成功利用薯干粉深层发酵柠檬酸。在20世纪80年代，由于出口的需要，我国的柠檬酸生产发展速度，已成为世界上柠檬酸生产量最大的国家。全国有近90家柠檬酸生产企业，年生产能力达近50万吨，占世界总量的40多。2002年全国产量30多万吨，2003年达40余万吨。我国开发的以白薯干为原料的产酸菌种具有其独到的特点，加之我国的许多地区对生产过程中排放的废水要求较低，多数生产企业对生产过程中产生的废水没能进行比较有效的处理，因此，我国柠檬酸生产成本较低，在国际市场上具有较强的竞争力。近年来我国的檬酸的年出口量一直保持在10万吨以上3。2生产工艺21生产方法本次生产工艺设计以薯干为原料，采用直接粉碎、调浆、液化，进行好气液体深层发酵，钙盐法提取，最后结晶、干燥得到柠檬酸。22工艺流程本次生产工艺的基本过程是在接收糖浆后，根据糖浆组成作适当的处理或配制，配成发酵原料，进行连续杀菌并冷却后，进入发酵罐，加入菌种和净化压缩空气后进行发酵；发酵液经升温、过滤处理后，进入中和罐，用CACO3中和处理；再经过过滤洗涤，得到柠檬酸钙固体，送入酸解罐，再添加H2SO4酸解，并加入活性炭进行脱色；然后，通过带式过滤机过滤、酸解过滤，除去CASO4及废炭；酸解过滤液经离子交换处理后，进行蒸发、浓缩，再进行结晶；结晶后，用离心机进行固液分离，对得到的湿柠檬酸晶体进行干燥与筛选，最后得到成品的柠檬酸。成品的柠檬酸。净化空气菌种种子发酵消泡剂过滤废渣处理中和钙盐干燥湿柠檬酸纯水分离次品回溶蒸发结品过滤废渣处理酸解酸液活性炭酸解液离子交换处理灭菌配料筛选图11柠檬酸生产工艺流程示意图23操作工艺231原料的处理根据发酵的要求，对薯干原料，采用直接粉碎、磨粉、调浆、液化、连续灭菌的处理方法；以薯干原料生产时，根据我国薯干粗料的特征，发酵工艺要求将薯干从平仓运至备料车间，经过磁选装置除去原料中含铁杂质，以保护设备。然后进入粗粉碎机，将薯干先轧成13CM大小的小块，以提高磨粉机的效率，便于物料的输送。粗碎后，由斗式提升机提送至中间粉仓，由粉仓落入磨粉机粉碎，粉碎后进入粉仓再经计量送至配料罐。配料罐内加水调浆，同时加入淀粉酶升温液化。液化完成后送至连消装置连续灭菌，再送至发酵车间4。232发酵工序由备料车间提供的经连续灭菌并冷却的料液，通过灭菌管道泵入已空消灭菌待料的发酵罐或种子淀粉糖罐，通过差压法或零磅火焰倒种法，接入已培养好的柠檬酸菌种，在通风、搅拌情况下，进行发酵或培养。在发酵培养过程中，对罐温、罐压、通风量、搅拌转速等实行连续记录监控，并定期检测原糖消耗情况、菌种生长状态、PH值、泡沫等变化情况。根据发酵的工艺特性要求，及时调整控制发酵工艺过程，以获得最佳工艺产酸率或种罐菌种活力，一般经66小时种罐约25小时培养，大罐在残糖指标、产酸情况达到放罐条件即可放罐；种罐菌种活力及菌群数量达标后，即可移种。在发酵或培种过程的定期检测中，若发现异常情况，如染菌等，应针对具体情况及时处理，对中、前期染菌，可加大种量形成主菌群生长优势，或及时罐实消，补入适当营养源重新接种发酵；后期时可加强监控，提前放罐；对倒罐等应予灭菌排放处理，并认真查找原因，进一步强化灭菌操作中的各个环节5。233醪液处理工序柠檬酸发酵完成后，应即时进行热处理，以灭活发酵，絮凝蛋白、提高收率，为提高设备利用率，增设醪液贮罐，通过热交换器，及时将醪液加热至80后进入醪液热贮罐，再经泵压入过滤机，除掉固形物及菌体残渣，将清醪液泵入下道工序7。234提取工段由压滤工段送来的柠檬酸清醪液泵入中和罐，在80下进行中和。碳酸钙经密闭的输送机送入车间，经无级调速下料螺旋分散投入中和罐，以防止局部浓度过高，使中和沉淀反应均匀，经终点检测合格后，将柠檬酸钙悬浮液排入带式过滤机中，将固体柠檬酸钙从悬浮液中分离出来，为满足玉米原料及薯干原料生产工艺的双重要求，中和带式过滤机用特定的加长、强洗型，生产原料操作灵活，以确保粗原料生产时的中和洗糖要求及成品的指标控制，要求并使中和废水经分流至污水处理站。分离后的柠檬酸钙经卸料螺旋送至酸解桶中，由热水或酸解液调浆，浓硫酸由酸碱站泵入，再计量到酸碱桶中与柠檬酸钙在80下生成硫酸钙与柠檬酸的悬浊液送入酸解带式过滤机进行过滤，清洗液即稀酸解液收集用于调浆，硫酸钙运至渣场综合利用，柠檬酸酸解送精制工段8。235精制工段离子交换与脱色柠檬酸液从暂贮灌中泵送离交纯化工序，经由阳离于交换塔，阴离子交换塔和活性炭脱色塔，离交脱色除去色泽及影响成品质量加速设备腐蚀的阴阳离子，阴阳树脂需经过酸洗、碱洗再生处理，离交后的柠檬酸精制母液送入蒸发工序9。蒸发与结晶在提纯溶液进入蒸发部分前，通过精过滤器除去清液中的微小树脂颗粒。精滤后的溶液经热交换器预热后送至双效真空浓缩器经浓缩至特定浓度后，转入真空结晶器，或者低温结晶器进行结晶。以确定产品一水产品或无水产品，再经分离将柠檬酸晶粒从液相中分离出来，液相母液在分离后分别放至各级母液贮罐，根据其杂质离交浓度情况，送往重新蒸发式回流到前工序处理提纯，晶体送往干燥机10。干燥与包装从离心机分离出来的湿柠檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根据生产品种控制干燥空气、温度及冷却空气量进行干燥，排空经湿式旋风分离器处理排放，干燥后的柠檬酸晶粒通过传送装置运到筛选机，不合格颗粒被筛分出来，溶解后返回到结晶系统，柠檬酸成品进行定量、包装，存放11。3工艺计算书31物料衡算311工艺技术指标及基础数据（1）生产规模53000T/A995一水柠檬酸折合成4856148T/A995无水柠檬酸；（2）生产方法外加耐高温淀粉酶液化，深层液体发酵，钙盐干法提取；（3）生产天数每年300天；（4）食用995无水柠檬酸日产量485614830016187T，取整数为162T；（5）食用995无水柠檬酸年产量16230048600T；（6）产品质量国际食用柠檬酸995（质量分数），实际产率98，副产品约占2；（7）薯干粉成分含淀粉量70，水分13；（8）淀粉酶用量8U/G原料；（9）操作参数淀粉糖转化率985，糖酸转化率95，提取阶段分离收率95，精制阶段收率98，倒罐率1则其得率为；产酸率（即糖发酵液转化率）13；发酵周期75H，发酵温度19（351），发酵通风量10V/V发酵液H。312原料消耗计算（基准一吨成品柠檬酸）年产14万吨一水柠檬酸，折合无水柠檬酸，按1995年5月，中国发酵工业协会柠檬酸分会制定的“柠檬酸行业统计办法”无水柠檬酸需要量为530001093754856148T/A（1）生产无水柠檬酸的总化学反应式61052268723/NCHOONCHO162192X1000（2）生产1000KG995无水柠檬酸所需的理论淀粉消耗量X1000（162192）99583953KG（3）生产1000KG995无水柠檬酸所需实际淀粉消耗量X9859595989997340KG（4）生产1000KG995无水柠檬酸所需实际薯干粉原料消耗量973470139057KG（5）淀粉酶的消耗量应用酶活力为20000U/G的淀粉酶使淀粉液化。淀粉酶用量按8U/G原料计算；有1390571038200000557KG313发酵醪量的计算根据发酵液转化率为13109598132106KG（）314接种量接种量为发酵醪的10，则822110310100747373KG315液化醪量计算因为成熟蒸煮醪为8221103747373056747317KG则调浆浓度为139057100747317186粉浆的干物质浓度为97341007473171303蒸煮直接蒸汽加热,采用连续液化工艺操作流程1混合后粉浆温度为50，应用喷射液化器迅速使粉浆升温至100。升温后进入维持罐，使料液保温2030MIN以完成液化，进蒸汽压力保持在0304MPA表压。2液化完成的醪液由板式换热器降温至351备用。3调浆及液化灭菌时产生的泡沫可用少量泡敌消泡。工艺计算干物质含量B070的薯干原料比热容为J/GK（）粉浆的干物质浓度为B11254液化醪的比热容为C1B1C010B1CW1254213181013034183913KJ/KGKCW水的比热容取418KJ/KGK为简化计算，定液化醪的比热容在整个过程中维持不变1经喷射液化器前的液化醪量为XXX3913100502731210041868894KG解得X68894（KG）其中27312喷射液化器加热蒸汽03MPA的焓316成品柠檬酸日产柠檬酸量为5300030016187T/D即结晶液中柠檬酸的含量为162T/D需精制液中柠檬酸含量为162981653061T/D需分离液中柠檬酸的含量为162（9598）1740064T/D317淀粉质原料年产14万吨一水柠檬酸厂总物料衡算即对生产4856148T/A995无水柠檬酸的薯干原料柠檬酸厂进行计算。（1）柠檬酸成品日产食用995无水柠檬酸量为16187T，取整数为162T日产副产品为162298331T则日产总量为16233116531T实际年产量为食用柠檬酸量为16230048600T/A副产物为331300993T/A总产量为49593T/A（2）主要原料薯干用量日耗量1390571031618776229876T年耗量2298763006896279T（3）根据以上计算，将物料衡算结果列于表31。表314000T/A料柠檬酸厂物料衡算表物料名称每吨产品耗物量（KG）年产14万吨耗物量每天（T/D）每年T/A食用柠檬酸98016248600副产品20331993薯干原料139057229886896279淀粉9734160914827395淀粉酶0560092759发酵醪83041413590040769960接种量83041123553706360成熟蒸煮醪74731712353637060840薯干浆量6894711393417001032热量衡算321液化热平衡计算喷射加热器耗热喷射加热初温T150加热后T2100醪液的比热容为C1392KJ/KG由工艺可知经过喷射加热器温度由T150升温至T2100QC1G醪液1005039268894100501350322KJ322发酵过程中的蒸汽耗量的计算（1）蒸汽用量的计算公式整个生产过程采用蒸汽加热，蒸汽耗用量计算公式为21DCTQIII总式中为蒸汽的热效率，取；95I汽化潜热。（2）基础数据在28下，查得淀粉的比热容为155KJ/KG；0C水的比热容为4174KJ/KG；加热蒸汽的热焓为25495KJ/KG；加热蒸汽的冷凝水的热焓为125060KJ/KG由前面的计算可知，日耗薯干粉量为229876T/D日耗淀粉量为16092/D日耗薯干浆量为1235362T/D则日耗调浆用水量为12353622298761005486T/D日耗淀粉浆量为1618710054861166406T/D淀粉浆中含水量为（10054861166406）10096204淀粉浓度为（161871166406）1001380由此可算得淀粉浆的比热容为CC淀粉XC水Y1551384174862043816KJ/GK式中X淀粉浓度，138Y水浓度，86204（3）生产过程中蒸汽耗量的计算培养基灭菌及管道灭菌培养基采取连消塔连续灭菌，进塔温90，灭菌130则灭菌用蒸汽量21DCTI每罐的初始体积为180M3，初糖浓度是13G/100ML，灭菌前培养基含糖量19。其数量为180131912316T灭菌加热过程中用03MPA，蒸汽（表压）I27253KJ/KG，由维持罐（90），进入连消塔加热至130，糖液比热容369。KJ/GK每罐灭菌时间3H，输料流量1231634105T/H，消毒灭菌用蒸汽量D41053691309027253130418278T/H；每天培养基灭菌用蒸汽量278323331T/D；所有用罐空罐灭菌及相关管道灭菌用蒸汽量，据经验取培养基灭菌用蒸汽量的10，则D1333110333T/D。加热发酵醪所用的蒸汽量D6柠檬酸水溶液的比热容可按下式近似计算C09906600010T419式中099比热容KJ/KG柠檬酸质量分数，（17400641358999）100128T温度，代入上式，得C（09906612200001035）419394KJ/GK那么由此可得D6为D6GCT1T2/I1358999394（8535）（25495125060）955875439T/A（4）将发酵段蒸汽衡算列于表32。表32发酵车间蒸汽衡算生产工序日用蒸汽量T/D平均蒸汽用量T/H年用蒸汽量（T/A）培养基灭菌3331139999401加热发酵醪111234633336768空罐灭菌33301499940合计147876164436109323发酵过程中的冷却水耗量计算已知发酵过程中的发酵热为25080KJ/MH，400M3的发酵罐一般装料量为360M3（填充系数为09），则21QCWT水水486032151661538462KG/H3987692T/D1196308T/A已知25M3的种子罐（填充系数07），装料量为175M3W种子418600017541828158077KG/H19385T/D58155T/D将发酵段水衡算列入表33。表33发酵车间冷却水衡算表生产工序平均耗水量T/H日耗水量T/D年耗水量T/A发酵罐用水1661543987692119630769种子罐用水80771938465815385合计1742314181538125446154324发酵过程中的无菌空气耗用量的计算（1）单罐发酵罐用无菌空气量根据无菌空气用量的计算公式V发酵罐体积通气速率填充系数已知发酵罐体积为400M3通气速率为018VVM填充系数为60则V40001860432M3/H（2）单个种子罐用无菌空气量取种子罐的空气消耗量为发酵过程空气耗量的25,则V25V25432108M3/H（3）将发酵车间蒸汽衡算列入表34。表34发酵车间无菌空气用量衡算表设备名称单罐每小时用气量M3/H单罐每日用气量M3/D每罐每年用气量M3/A年总用气量M3/A发酵罐432103683110403421440种子罐108259277760855360总用量541296388800427680033发酵罐的选型当前，我国柠檬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，即通常所说的通用罐。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。此外在柠檬酸发酵生产设备方面，大型气升式发酵罐仍处于试用攻关阶段。从试用情况看，由于气升式罐在生产周期、产酸率、供氧周期波动的影响、通风量增加的综合能耗、生产的稳定性及可重复性等因素，所以多数厂家目前仍延用机械搅拌通风式发酵罐。因而，就本项目而言，按技术成熟，可靠、稳妥的原则，结合柠檬酸工程中的设计经验，通过对罐内空气分配器进行适当改造，成为新型的通风式机械搅拌型发酵罐。其搅拌功率，比相同容积的通用发酵罐降低约10。从生物发酵行业醪液处理供料的均衡性考虑，发酵放罐间隔时间不宜大于8小时，在技术可靠的前提下，大罐放料容积不大于400M3。结合目前本行业发酵技术的现状，目前国内行业成熟技术水平、加工技术水平，企业可能达到的发酵控制管理水平等，从生产的可靠性、可实施性等方面考虑，本设计拟采用放罐容积约200M3的新型通风发酵罐。现以此类发酵罐进行设计选型。331发酵罐容积和台数的确定（1）发酵初糖浓度由前面的计算可知，发酵液中柠檬酸的含量为174006T/D，则根据612687CHO180192可计算出葡萄糖量为17400618019216313T/D则发酵初糖浓度为163131001358998512（2）生产能力的计算现每天产995纯度的柠檬酸162T，柠檬酸发酵周期为75H（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995的柠檬酸162T，每吨100的柠檬酸需糖液758M3；V糖758162122796M3设发酵罐的填充系数，则每天需要发酵罐的总容积为VO发酵周期为48H）。90VOV12279690163728M3（3）发酵罐个数的确定现选择公称容积为400M3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为例，则需要发酵罐的个数为。1N查表知公称容积为400M3的发酵罐，总容积为453M3，则每台罐的产量为4000913111959848363588T发酵罐所需个数55524日产量操作周期每台设备产量7524取公称容积400M3发酵罐11个；每日投（放）罐次16248363349圆整到4次，日运转104675966759211475。其中发酵时间为66H，发酵操作时间为75H（4）实际产量验算45307543007585378628；富裕量5378628485614848561481076，能满足产量要求。332主要尺寸的计算（1）现按公称容积200M3的发酵罐计算V全V筒2V封230（M3），封头折边忽略不计，以方便计算则V全0785D22D24D32460解方程得D631（M）取D63M，H2D126M；根据发酵工厂设计概论通用发酵罐系数表，查得封头高为H封HAHB1250501300MM。（2）验算全容积全V全V简2V封0785D22D24D320785D2005078563226363321207856320054595606M3V全V全333发酵罐冷却面积的计算对柠檬酸发酵，每1M3发酵液，每1H传给冷却器得最大热量约为4186000KJ/M3H。采用竖式列管换热器。取经验值K418500KJ/M3H。平均温差为TT21LN35351528207代入得MT207/LN124对公称体积200M3的发酵罐，每次放4罐，每罐实际装液量为122796430699M2换热面积418600030699（418500124）2970871M2MQFTK334发酵罐搅拌器的设计（选用六弯叶涡轮搅拌器）。（1）主要尺寸列该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定的比例关系，如下搅拌器叶径D/363/321M叶宽B02D0221042M弧长L0375D03752107875M底距CD/363/321M盘径DI075DI075211575M叶弦长L025D025210525M叶距YD63M弯叶板厚12MM（2）转速取四档搅拌，搅拌转速N可根据50M3罐，搅拌器直径105M，转速N110R/MIN,以等PO/N为标准放大求得4N2N1D1/D22/3110105/212/33667R/MIN（3）搅拌轴功率通风搅拌发酵罐，搅拌轴功率的计算有许多方法，现采用修正的脉凯尔式求搅拌轴功率，并由此选择电机。计算REM2/D式中搅拌器直径，为21M搅拌器转速，为3667/600611R/SNN醪液密度，1050KG/M3醪液粘度，NS/M210将数代入上式，得21206111050/13103218106104REM视为湍流，则搅拌功率准数NP47计算不通气时的搅拌轴功率POPONPN3D5式中NP在湍流状态时其值为常数47N搅拌器转速，为0611R/SD搅拌器直径，为21M醪液密度，1050KG/M3代入上式得PO47061132151050459986KW四档功率则为PO4PO183994KW计算通风时的轴功率PGPGKW2330982510NDQ式中PO不通气时的搅拌轴功率，P0218399423385105N搅拌器转速，为80R/MIND搅拌器直径CM，D32131069261106Q通风量ML/MIN，通风比为VVM008015，取低限，如通风量变大，PG会小，为安全，现取011，则Q40007501110633107Q008333997108PG225103338510536679261106/383503916264KW求电机功率P电PG123101电采用三角带传动092，滚动轴承099，滑动轴承098，端面密封增加的13功率为1，代入公式数值得162641010920990981840291KWP电查取合适电机。335发酵罐设备结构的工艺设计（1）空气分布器本罐使用单管进风，风管直径计算见后面的接管设计。（2）档板档板的作用是加强搅拌强度，促使液体上下翻动和控制流型，防止产生旋涡而降低混合与溶氧效果4。本罐因有扶梯和竖式蛇管，故不设档板。（3）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。（4）冷却管布置竖式蛇管冷却装置。求最高热负荷下的好水量W21QCPT总式中Q总每1M3醪液在发酵最旺盛时，1H的发酵量与醪液总体积的乘积Q总3069941860007699106CP冷却水的比热容，4174KJ/HT2冷却水出温，15代入上式得W7699106418281514168778G/H3936KG/S冷却管组数和管径设冷却管总表面积为S总N0785DO2S0总，管径D,组数为N,则冷却水体积流量为104103M3/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S总为总/V式中冷却水体积流量，104103M3/S冷却水流速，1M/SV则有S总104103/1104103M2竖直蛇管得组数N，根据管的大小一般取3、4、6、8、12组，通常每组管圈数不超过6圈，增加组数可排下更多的冷却管，管与搅拌器的最小距离不应小于250MM；每圈管子的中心距为25，管两端U型或V型弯管，可弯制或焊接，安装是35D外外每组竖直蛇管用专用夹板夹紧，悬挂在托架上。夹板和托架则固定在罐壁上，管子与管壁的最小距离应大于100MM，主要考虑便于安装、清洗和良好传热。根据发酵罐的实际情况，取管径。由上式得DO004M0785SN31408查金属材料表选取无缝管，68MM，72MM，现取竖蛇管圈6D内D0平均端部U型弯管曲径为200MM，则两直管间距离为400MM，总长度3144001256MML0D长度L的计算冷却管总面积F1553M2，无缝钢管为，每米的冷却面积476为FO31400681021M2，则LF/FO29708710211391378M冷却管占有体积V0785006821391378505M3长LO和管组高度LO1391378817392M另需连接管8ML实139137881399378M可排竖直蛇管的高度，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1M3，则总占有体积V总V液V容V附件30699268131067M3由前可知，V封头D3/240785D2005314633240785632200534272M3则管筒体部分液深为（V总V封）/S截（1775217335）078552816M竖蛇管总高H管816025841MM又两端弯管总长LO1256MM，两弯管总高400MM则直管部分高度HH管40084104008010MM则一圈管长L2LLO287211256187M每组管子数NOLO/L173922318793圈，取NO10（圈）现取管间距为25D外250076019M，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F实D平均L实314007213993783163714M2F1553M3可满足要求。336发酵罐设备材料的选择发酵设备的材料选择，优先考虑的是满足工艺的要求，其次是经济性。有机酸发酵，考虑到对产品质量和产量的影响，安全性，后道工序除铁困难，腐蚀性强等，必须使用加工性能好，耐酸腐蚀的不锈钢，采用制作发酵设备15。189GRNIT337发酵罐壁厚的计算（1）确定发酵罐的壁厚SMM2PDSC式中P设计压力，取最高工作压力的105倍，现取P04MPAD发酵罐内径，6300MM不锈耐酸钢的许用应力；焊封系数，由D5000MM800MM，双面对接焊局部探伤，取09；C壁厚附加量；CC1C2C3其中C1钢板负偏量，视钢板厚度查表确定，其范围为01313，取C105MMC2为腐蚀余量，单面腐蚀取1MM，双面对接焊局部探伤，取C20C3加工减薄量，对冷加工C30，热加工封头C3SO10，现取C30C050005MM则S046300（2131290904）051071MM选取11MM厚不锈耐酸钢。2封头壁厚计算标准椭圆封头的厚度计算公式如下2PDSC代入数得S046300（2131290904）15121815MM选取13MM厚不锈耐酸钢。338发酵罐接管设计（1）接管的长度H设计取接管长度为8M。（2）接管直径的确定该管实装醪量17434M3，设5H空，则物料体积流量Q30699（36005）17M3/S10发酵醪流量取V1M/S；则排料管截面积F实Q/V17103M2由得管径DF实/07851/20147M147MM2物F0785D3971085取无缝钢管1334，D内147MM110MM认为适用若接通风管计算，压缩空气在04MPA下，支管气速为2025M/S，现通风比008015VVM，为常温20，01MPA下的情况，要折算到04MPA，36状态下，风量Q，取最大值，Q1306990546049/MIN0767M2/S利用气态方程式计算工作状态的风量QFQF0767010427335273200202M3/SFFQ/V0202/250008M2取风速V25M/S，则风管直径D气0101M两者中的大值，取无缝钢管1334工艺要求。0785F046（3）排料实践复核物料流量Q1706102M/S流速V1M/S管道截面积F07850193229102M2在相同流速下，流国物料因管径较原料计算结果大，则相应流速比为PQ/FV1706102291020583倍排料时间T505832913H339发酵罐支座的选择对于75M3的发酵罐，由于设备重量较大，应选用裙式支座。34贮罐选型341发酵成熟醪贮罐根据化工原理贮罐类设计原则，便于计量和清洗，不宜多，一般不超过3支本设计根据生产规模的需要，选择1支发酵成熟醪贮罐。（采用蒸汽直接加热，装料系数取07）。则有VM/2566961052445M3/D，V总V/2445073493M3/D分三班运做，则V每天1164，取筒径高比H2D，有V1V简V封0785D22DD3241164，D88M取整D9M，则H2D18M，V实157930139312393V1，满足要求。342硫酸銨贮罐按前计算，硫酸铵总量按对接种量质量比05，得硫酸铵用量G035T/D，流加硫酸铵溶液为40，最终重度为5KG/M3。（1）则每天用硫酸铵溶液体积为V035103405175M3取70，则有V总V/17570250M3（2）计划硫酸铵溶液制备灭菌工作安排三班作业，每班配制硫酸铵溶液，占全天使用量的1/3，则每支罐体积为V1V总/32503833M3（3）灭菌所需热量由内列管提供。取H2D，有V120785D3D3/24833M338/176DM圆整到推荐的系列值，取D38M，H76M则V实157383013383933M3V1，满足要求。（4）材料的选择根据硫酸铵的浓度、温度及腐蚀性，本设备选用不锈钢制作。其他设备都作为辅助设备要根据生产能力，按物料衡算结果进行选型。现将发酵车间所选设备结果见表5结论本设计在了解国内外柠檬酸发酵业生产、发展概况之后，通过分析、比较，初步确定了设计方案。我国柠檬酸原料来源丰富，又有世界上独特的发酵技术，工艺简单，故选择以薯干粉为原料，采用黑曲霉，通过深层液体发酵生产柠檬酸。年产14万吨柠檬酸发酵车间需发酵罐6个，每个发酵罐200M3；配对30M3的种子罐6个。日产43T水柠檬酸，年产12900T；年产副产品26328T，年耗薯干粉1830446T。年耗淀粉1281314T，每年消耗淀粉酶737T，每年发酵醪量为1082164T，每年接种量为983784T。喷射加热器耗热为133756404KJ。关于热量计算，得到淀粉浆中含水量为8497，淀粉浓度为1503，淀粉浆的比热容为378。每天培养基灭菌用蒸汽量为1752T/D，柠檬酸水溶液的比热容为396。每年培养KJ/GKKJ/GK基灭菌消耗蒸汽量为5256T/A；每年加热发酵醪需要蒸汽量为1567128T/A，空罐灭菌用蒸汽量为5256T/A。每年发酵罐用水5981544T/A，每年种子罐用水58155T/A。每年每个发酵罐用无菌空气155520M3/A，6个总共每年需要1866240M3/A，每年每个种子罐用无菌空气38880M3/A，6个每年用无菌空气233280M3/A。对于发酵罐，计算知发酵初唐浓度为1191，每天需要发酵罐总容积36216M3。其中发酵时间66H，发酵操作时间75H。实际产量验算知富裕量为2606。对于种子罐，平均每天上2罐，种子罐培养20H，辅助操作810H，生产周期25H。需30M3种子罐6个。对于等电点罐，罐体尺寸D为37M，H为481M，壁厚07M，冷却面积2853M，管长17263M，蛇管圈数22圈。需要选用额定功率为12KW的电机。参考文献1吴思方发酵工厂工艺设计概论M，中国轻工业出版社1995，第35176页2吴思方生物工程工厂设计概论M，中国轻工业出版社2008，第41166页3王福源现代食品发酵技术M，中国轻工业出版社1998，第1205页4梁世中生物工程设备M，中国轻工业出版社2005，第130148页5胡红波生物工程产品工艺学M，高等教育出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