【2019年整理】发酵课程设计(20210130001619)

1、味精发酵罐的设计 -、选题依据（拟开展研究项目的研究目的、意义） 目的：味精，又名为谷氨酸钠，是烹饪中常用的一种鲜味调味品。烹调时在菜 里或汤里略加少许味精，立刻可使菜肴的味道更佳鲜香浓郁、味美可口。2004年全 球的味精市场约为1700000t，其年增长率预计为4%，2010年已达到2100000t。由 于我国味精产量增加，各项技术指标提高幅度大，产品成本降低，在国际市场上具 有较强竞争力，2005年出口味精达100000t。 1909年味精作为商品问世以来已有105年历史。早期味精是由酸法水解蛋白质 进行制造的，自从1956年日本协和发酵公司用发酵法生产以后，发酵法生产迅速发 展，目前世界

2、各国均以此法进行生产。实际上发酵法在微生物发酵阶段，主要是获 得谷氨酸，制造味精是后续加工完成的。 当前，我国的味精生产发酵法占统治地位，而发酵生产的发酵罐仍是机械搅拌 通风发酵罐。 意义：近几年，随着味精生产的不断发展，产量迅速增加，生产规模不断扩大， 作为发酵生产最关键的设备 一一发酵罐也在不断向大型化的方向发展。在发酵设备 向大型化发展的同时，人们更加重视对设备结构上的改进。通过改进设备，增强了 设备性能，降低造价，节约能源，提高了效益。应用新的现代化技术成果来提高设 计水平，增加技术含量，不断改进发酵罐的结构设计是现在和今后的发展趋势。 二、研究方案（主要研究内容、研究方法和技术路线）

3、 研究内容：1 了解味精的性质及定义； 2 了解味精的历史过程，经济价值； 3详细了解味精的制备菌体； 4 了解制备的工艺和生产中所注意的问题； 5明白发酵罐体的结构； 6明白制备时防止其他的杂菌的污染和防范措施； 7体会发酵罐体的设计； 8绘制一幅发酵罐体，体会和思考设计中发现的问题。 研究方法：1细心查找各类的网上资料； 2实地勘察，参观生物制药企业工厂，罐体； 3可以向工厂的工人，学者，研究人员等询问； 4亲手制作发酵罐的准备计划或者研究菌体等。 技术路线： 1 了解发酵罐的结构； 2认识发酵罐的注意事项； 3制定所设计的发酵罐的种类； 4查找发酵罐体的参考数值； 5计算罐体的准确数值；

4、 6参考其他的发酵罐，在图纸上画出自己的发酵罐体表明发酵罐 的体系。 三、预期的结果和创新性 结果：按照所操作的流程，生产中注意杂菌的污染，和培养菌体的保存确定准 确的数值使的细胞培养和产物分泌处于最佳的状态，使菌体在生长代谢过程中产生 最大量，最优质的所需的产物，发酵生产谷氨酸，进而生产味精，满足大众的需要, 为当前的社会创造的巨大的经济价值。 创新：以淀粉或大米为原料首先要制备葡萄糖，采用灌流式培养方法，提取工 艺（浓缩连续等电点法），分离采用多步浓缩，步步检测，生产过程也是随时抽样 调查，提高发酵的环境，严格进行消毒，严格监控发酵的参考数。 1根据代谢工程原理，定向选育获得稳定遗传的 L

5、谷氨酸高产菌； 2产酸高，杂酸少，培养粗放； 3采用清洁生产工艺，氨氮废水减少 50%以上。 四、导师的评语及评分 签字： 2014年6月 日 味精发酵罐的设计 一 定义 ： 味精是调味料的一种， 主要成分为谷氨酸钠。 味精是人们熟悉的鲜味剂， 是 L 谷氨酸单钠盐(Mono sodium glutamate)的一水化合物，具有旋光性，有 D型和L 型两种光学异构体。 注意的是如果在100C以上的高温中使用味精，谷氨酸钠会转变成对人体有致 癌性的焦谷氨酸钠。由于炒菜时油温在 150-200C，这会使味精变成有毒性的焦化 谷氨酸钠，所以，对于加入味精的半成品配菜的烹饪，应以蒸煮为妥。还有如果在

6、碱性环境中，味精会起化学反应产生一种叫谷氨酸二钠的物质，所以要适当的使用 和存放。 二 味精生产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 ; (3) 谷氨酸的提取 ; (4) 谷氨酸制取味精及味精成品加工。 1 原料的预处理 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。用于除杂的设备为筛选机，常用的是振动筛和转筒筛， 其中振动筛结构较为简单，使用方便。 用于原料粉碎的设备除盘磨机外，还有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

7、 细碎作用，辊式粉碎机主要用于粒状物料的中碎和细碎。 2 淀粉水解糖制备 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，所制得的糖液称为 淀粉水解糖。由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必须将淀粉 水解为葡萄糖，才能供发酵使用。目前，国内许多味精厂采用双酶法制糖工艺。 3 种子扩大培养及谷氨酸发酵 种子扩大培养为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。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种子。 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

8、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。 4 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。 三味精发酵生产影响条件: 现有谷氨酸生产菌分属于棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属氧。 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

9、成。 温度，菌种生长的最适温度为 3032 C。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 C。 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。 生物素，当生物素缺乏时，菌种生长十分缓慢；当生物素过量时，则转为乳酸 发酵。因此，一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产量的

10、谷氨酸。 四发酵罐体的计算 1公称直径的确定 ： 发酵罐的公称容积V，般系指筒身容积V0与底封头容积Vb之和。底封头容 积Vb近似地用下式计算。 N =（兀/4）0十丄D） 2封头的主要尺寸： 曲面高度为800mm，直边高度为50mm,内表面积为11.6m2,容积4.69m3,壁厚 22mm。 3发酵罐计算容积： V 实=筒 +2V 封=3.14-4X DA2 X H + 2V 封 = 3.14-4x3.2Jx8 + 2xll.6 = 87.5tni 发酵罐的设计容积为70M3，所以取筒体高度为6m。高径比取1: 1.875. 所以实际体积:71.4m2 实际装液液面高度：V液=46.2m3

11、L 液=5.2m 罐灭菌压力为2atm，罐设计受压4atm （表压），材料：不锈钢 S = PD /230 so P + C D 罐体直径（D=3200mm）; P 耐受压强（取P=4）; 焊缝系数，双面焊取0.8 ; S 设计温度下的许用应力(kgf/c )(取S =35/4); C 腐蚀裕度，当 S C A（N / n ）1 3 轴传递功率（马力）d = 214.4 轴的转速（r/min ） n=102.5 A=12.21 所以 d= 15.6cm 按扭转刚度计算应满足轴上最大扭转角度W许用的扭转 d = 5 d:所求的轴径（cm） N :轴转动转速（马力），N=214.4 n：轴的转速（

12、r/min） n=102.5 B :传动系数，该传动系数为一般传动，取 M 二 2/1 代彳讣B=1O 综上所述，设计轴径为120mm。 6热能 热负荷q=生物合成热1q+搅拌热2q-汽化热3q-辐射热4q （1）生物合成热1q 根据实际测定，每立方米发酵液每小时最大发热量为4000X 4.18kj/（ ? ? h ） q1 = 772464kj / h 搅拌热的计算q2 根据经验公式：q2= px 860X 4.187= 576131kj/h 7汽化热的计算 式中：G:工作状态下通入发酵罐的空气质量流量（Kg绝干空气/h） 11:发酵罐空气进口热焓（KJ/Kg） 11 :发酵罐空气出口热焓（

13、KJ/Kg） 空气比容计算 = (0.171 -1.244 x JT _) x Tt x =0.5774? /kg 干空气流量计算 G7 = ( 70 x 66%) x0 2%. =960kg/ h 出罐空气状态: 几=32 C , Pz - 1. 5 atm ,- 0.043 atm , 0 =100 % 所以出罐空气绝对湿度 X8=0.0186水/ kg 热焓计算 I =(1.01 +1.SS/) t + 2490H 进罐空气热焓11 = 38.95kj / kg 出罐空气热焓12 = 79.75kj / kg 辐射热计算4q计算 q. =10%(ql + q2-q3) 热负荷总q计算 传

14、热面积F3的计算 冷却水用自来水，进口温度 1=711845kj/h 15,经设计校核，确定出口温度为 =2.428t/ h 发酵液35C 30T冷却水15C 20C T1 = 8C T2 = 13C 传热面积F3= 3.06 ffl2 冷却管截面计算 -八 _ . - = 0.02369? /s d o= 0.081m 查表，取 89X 3.5无缝钢管作为冷却蛇管 D = 85.5mm 8冷却管长度设计 取竖直蛇管U型曲径为150mm,则两管距离为300mm冷却管长度L=403.1m 管组高度H计算：蛇管排布要求： 上不露液面，下不低于封头直边，可排蛇管高度即圆柱部分静液面高度。则直 管部分

15、高 h=5500-300=5200mm。 管子圈数=9 t :管子的中心距，t=0.2 D :冷却蛇管外径=0.075m H=2,0m 9换热面积验算 F窝二；T x d干）n 0 x x 并=105.7 m2 式中：平d:冷却蛇管平均直径（m） 0n：每组冷却蛇管圈数 n：冷却蛇管管组数 L : 一圈蛇管长度 10灭菌后冷却要求计算： 设计冷却时间为8小时，发酵液冷却热量q 0 = - -=3188526.1j/ h 式中：G:发酵液重量=77000kg C :发酵液比热=0.92X 4.187kj/kg? C t :灭菌后冷却终温，35 C 2t :灭菌温度，121C FjUKU = （r

16、t水蛙）（t平水进 ”（t=t水出） t水进=15Ct水出=53r t 平=78 r 所以 t=4i.c Ff= qx! K E； 500 x 4.18亠 KJ 血。匚存=37.5v F 实 因此，经灭菌后冷却校核，符合设计要求 11培养基灭菌蒸汽耗量计算： 整齐压力为4个大气压，该状态下整齐热焓（653.3- 1OO）X 4.187kj/kg 培养基从25C升温到21C ,平均比热为0.95X 4.187kj/kg? C ,因此考虑到实罐灭 菌后有大约1.5吨的冷凝水，因此每批投料量为219.5吨。 12发酵罐的培养液的灭菌最大蒸汽消耗量为: Qm = Q瑜 Z/=35971.9kg 保温3

17、0分钟，消耗蒸汽为占升温时的20%=7194.4kg 空罐灭菌消耗蒸汽约占升温时的 20%=7194.4kg 灭菌平均在1.5小时内完成，则每小时蒸汽用来灭菌而消耗的量： D =33573.8kg/h 每罐灭菌需蒸汽量为： Di=12590.2kg/h 13排料管设计 发酵罐的装液量为70X 66% =46.2 ?，假设2小时内排空，贝U发酵液体积流: Q=0.006 ? /s 发酵醪液流速取V=1m/s，排料管截面积为物F 尸旳=Q!V = 0.006 卅二丹/4 管径 D = 0.087mm 14接通风管 压缩空气0.4MPa,支管气体流速为2025m/s现通风比为0.20.5vvm,空压

18、机 进口空气温度t=25,压强=0.1MPa.发酵罐入口无菌空气温度t=35,p=0.4MPa。 工作状态下的风量Qf =1.27? /s = O x(P/Plx(rr/T) sr君、* Ff =0 /v = L27 /25 二 0.051 Ff =(/4)rf2 D 气=225mm 15传动装置 采用三角皮带传动，选用口型皮带小皮带轮的直径 D=225mm 大皮带轮的直径 n 小=1600r/min n 大=1.39r/min 故 D 大=1150mm 检查：h N = 1（理-i ）翌 * 1 %=0.2%v 5%符合要求 皮带转速 m匚八貝；：； =8.6m/s 一般两皮带轮中心距=，/：川，Ao = 1035mm 16发酵罐的支座 尺寸为： a=200 , b=225 , c=260 , e=100 ,