年产XX万吨谷氨酸厂发酵罐研究设计

1、长江师范学院年产 2 万吨谷氨酸厂发酵罐设计说明书设计人 :龙丹学号 :200909021120班级 :2009 级生物工程1 班设计时间 :2011.12.512.25指导老师 :陈今朝成绩 :目录1 前言12 设计理念与方案33 任务书设计主体43.1 谷氨酸生产工艺流程、工艺技术指标及基础数据43.1.1 谷氨酸发酵工艺流程示意图43.1.2 工艺技术指标及基础数据53.1.3 谷氨酸发酵车间的物料衡算53.1.420000 t/a 谷氨酸厂发酵车间的物料衡算表732 发酵罐的设计与选型8321 发酵罐的选型832.2 发酵罐的生产能力、容积及个数的确定832.3 主要尺寸的计算83.2

2、.4 冷却面积的确定93.2.5 搅拌器设计103.2.6 搅拌轴功率的确定113.2.7 设备结构的工艺设计123.2.8 竖直蛇管冷却装置设计123.2.9 设备材料的选择153.2.10 发酵罐壁厚的计算153.2.11 接管设计164设计结果与讨论181 前 言味精，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 1 。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

3、较强竞争力， 2005 年出口味精达 100000t 2 。1909 年味精作为商品问世以来已有 102 年历史 3 。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，目前世界各国均以此法进行生产4 。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。谷氨酸学名是 - 氨基戊二酸，结构式为5。谷HOOC-CH-CH-CH(NH)-COOH222氨酸在水中溶解度小，但其钠盐溶解度较大6 。谷氨酸分子中有两个羧基，一个氨基，具有酸味，中和成一钠盐后，酸味消失而鲜味增加6。当前，我国的味精生产发酵法占统治地位，而发

4、酵生产的发酵罐仍是机械搅拌通风发酵罐， 即大家常说的通用罐。 它是利用机械搅拌器的作用， 使空气和醪液充分混合， 促使氧在醪液中溶解， 以保证供给微生物生长繁殖、 发酵和代谢所需要的氧气。它主要由罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等组成7 。32现在国内最常用的发酵罐为200400m ，有关通用式发酵罐的系列尺寸如表 1-1 所示。表 1-1 通用发酵罐的系列尺寸公称容积罐内径圆柱高封头高罐体总封头圆柱部分高容积容积50L320mm640mm105mm850mm6.3L52L100L400mm800mm125mm1050mm 11.5L100L200L5

5、00mm1000mm150mm1300mm 21.3L197L500L700mm1400mm200mm1800mm 54.5L540L1.0m3900mm1800mm250mm2300mm0.1121.14m3m5.0m31500mm3000mm400mm3800mm0.4875.3m3m31800mm3600mm475mm4550mm0.826310mm9.15m32300mm4600mm615mm5830mm 1.76m320m19.1m350m3100m3200m不计上封头的容积58.3L112L218L595L1.25m35.79m39.98m320.86m3351m3109m3213

6、m33100mm6200mm815mm7830mm4.2m346.8m34000mm8000mm1040mm10080m9.02m3m3100m5000mm10000mm1300mm12600m16.4m3m3197m搅拌桨直电动机搅拌全容积搅拌转数轴直冷却方式径功率径64.6L112mm470r/min0.4kW25mm夹套123L135mm400r/min0.4kW25mm夹套239L168mm360r/min0.6kW25mm夹套649L245mm265r/min1.1kW35mm夹套1.36m3315mm220r/min1.5kW35mm夹套6.27m3525mm160r/min5.5

7、kW50mm夹套10.8m3630mm145r/min13kW65mm夹套22.6m3770mm125r/min23kW80mm列管55.2m31050mm110r/min55kW110mm列管31350mm列管118m31700mm列管230m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。

8、3我国独立研发设计的 790m超大型发酵罐 2006 年已成功投产，该设备由沈阳宏成生物工程技术研发中心设计的， 这是至今国内外最大容积的谷氨酸发酵罐2 。此设备充分考虑了传质。 传热、溶氧、功耗、细菌生长和发酵水平诸多因素。该设备投产、运行稳定，控制性能好，发酵产酸率和转化率都比较高。2设计理念与方案本任务书拟选择味精发酵生产中最关键的设备，发酵罐作为设计主题，并以年产 2 万吨为规模进行模拟设计， 并决定选用历史比较悠久， 资料较齐全的机械搅拌通风发酵罐，作为任务书的主要设计目标根据常识，一个良好的发酵罐应满足下列要求： 结构严密， 经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐性好，以利于灭菌彻底

9、和减小金属离子对生物反应的影响；有良好的气 - 液- 固接触和混合性能以及高效的热量、 质量、动量传递性能；在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度； 有可行的管道比例和仪表控制， 适用于灭菌操作和自动化控制。发酵罐的设计与选型，除了计算发酵罐罐体的尺寸、各部结构、搅拌功率、壁厚和容积等，还应该绘出发酵罐结构图和发酵设备图。根据以上思路，初步考虑任务书进行过程可以分为三个阶段：第一阶段：查阅资料确定谷氨酸的生产工艺流程并初步考虑发酵罐及相关设备轮廓。第二阶段：任务书进入实行阶段， 包括物料衡算、 发酵罐选型计算以及绘图等。第三阶段：完善任务书和数据阶段

10、。3 任务书设计主体3.1 谷氨酸生产工艺流程、工艺技术指标及基础数据3.1.1.谷氨酸发酵工艺流程示意图谷氨酸发酵采用淀粉原料，双酶法糖化，中初糖发酵流加高糖，等电点 - 离子交换法提取的工艺。其工艺流程示意图如图3-1 所示。菌种斜面培养摇瓶扩大培养种子罐扩大培养粗谷氨酸淀粉空气调浆高效前置过滤器空气压缩机喷射液化除铁冷却淀粉水解糖过滤丝网分离器脱色过滤除菌配料浓缩结晶干燥发酵等电点调节粉碎沉淀过滤离心成品味精母液粗谷氨酸离子交换处理溶解粗谷氨酸溶液中和制味精图 3-1 谷氨酸精制生产总工艺流程图3.1.2 工艺技术指标及基础数据（ 1） .主要技术指标表表 3-2 主要技术指标指标名称单

11、位指标数生产规模t/a20000( 味精 )生产方法采用淀粉原料， 双酶法糖化，中初糖发酵流加高糖，等电点 - 离子交换法提取的工艺年生产天数d/a300产品日产量t/d66.67产品质量纯度 99%发酵周期h41淀粉糖化转化率%109糖酸转化率%61谷氨酸提取率%96发酵初糖Kg/m 3150流加高浓糖%500麸酸谷氨酸含量%95味精对谷氨酸产率%122倒罐率%0.2（ 2）主要材料质量指标淀粉原料的淀粉含量为 80%，含水 14%。（ 3）二级种子培养基（ g/L ）水解糖 50，蜜糖 20，磷酸二氢钾 1.0，硫酸镁 0.6，玉米浆 510，泡敌 0.6，生物素 0.02mg，硫酸锰 2

12、mg/L，硫酸亚铁2mg/L。（ 4）发酵初始培养基 （ g/L）水解糖 150，蜜糖 4，硫酸镁 0.6，氯化钾 0.8，磷酸 0.2，生物素 2 g，泡敌 1.0.接种量 8%。3.1.3 谷氨酸发酵车间的物料衡算首先计算生产 1000Kg 纯度为 100%的味精需要耗用的原材料以及其他物料量。（1）发酵液量220 Kg/m 3 ，则发酵液量为：设发酵初糖和溜加高浓度糖最终发酵液总糖浓度为1000=6.38m3V 1=22061%96% 99.8% 122%式中220 发酵培养基终糖浓度（ Kg/m3）61%糖酸转化率96%谷氨酸提取率99.8%出去倒罐率 0.2%后的发酵成功率122%味

13、精对谷氨酸的精制产率（2）发酵液配制需水解糖量以纯糖计算m11=1403.6(Kg)（3）=220V二级种子液量（4）V 2=8% V1=0.5104(m3)二级种子培养液所需水解糖量m2=50 V2=25.52（Kg ）式中 50二级种子液含糖量（ Kg/m 3）（5）生产 1000Kg 味精需水解糖总量m=m1+m2=1429.12（Kg ）（6）耗用淀粉原料量理论上， 100Kg 淀粉转化生成葡萄糖量为111Kg，故耗用淀粉量为：1429.12m 淀粉 =1476.49（Kg ）式中 80%80%109%111%淀粉原料的淀粉含量109%淀粉糖化转化率（7）液氨耗用量 发酵过程中用液氨调

14、 pH和补充氮源，耗用 260280Kg ；此外，提取过程中耗用 160170 Kg，合计每吨味精消耗 420450Kg 。（8）甘蔗糖蜜耗用量二级种液耗用糖蜜量为：20V 2=10.208 (Kg)发酵培养基耗糖蜜量为：4V 1合计耗用糖蜜 35.728 Kg=25.52(Kg)（9）氯化钾耗用量m=0.8V =5.14(Kg)（10）磷酸二氢钾（ KH 24 231）耗用量POHO42（11）硫酸镁（ MgSO4m =1.0V =0.5104(Kg)）耗用量7H2Om5= 0.6（ V1+V2） =4.13424 （Kg ）（12）消泡剂（泡敌）耗用量m6=1.0 V1=6.38（Kg ）

15、（13）玉米浆耗用量（ 8g/L）m7=8 V2=4.038（ Kg）（14）生物素耗用量m8 =0.02V2+0.002V1=0.022968(g)（15）硫酸锰耗用量m9=0.002V2=1.020（ g）（16）硫酸亚铁耗用量m10=0.002V2=1.0208（ g）（17）磷酸耗用量m11=0.2 V1=1.276（ Kg）（18）谷氨酸量发酵液谷氨酸含量为：m161%（10.2%）=854.48（ Kg ）实际生产的谷氨酸（提取率96%）为854.48 96%=820.30（ Kg ）3.1.420000 t/a谷氨酸厂发酵车间的物料衡算表由上述生产 1000Kg谷氨酸（纯度 10

16、0%）的物料衡算结果， 可求得 20000 t/a谷氨酸厂发酵车间的物料平衡计算。具体结果如表3-3 所示。物料名称生产 1t (100%)20000 t/a谷氨酸每日物料量的物料量生产的物料量36.383425.3546发酵液量 ./m127.610二级种液量 /m30.5104334.02836810.20810发酵水解用糖量 /Kg1403.6280.72105393.57810二级种培养用糖量25.52510.41031701.41/Kg水解糖总量 /Kg1429.12285.824105淀粉用量 /Kg1476.49295.298105液氨用量 /Kg42084105糖蜜用量 /Kg

17、35.72857.145610氯化钾用量 /Kg5.1451.02810磷酸二氢钾用量 /Kg0.510441.020810硫酸镁用量 /Kg4.134248.2684104泡敌用量 /Kg6.38127.6103玉米浆用量 /Kg4.0388.076104生物素用量 /g0.022968459.36硫酸锰用量 /g1.0202.04104硫酸亚铁用量 /g1.02082.0416 104磷酸用量 /Kg1.2762.552104谷氨酸用量 /Kg820.30106.0610595.27910398.43710328.00141032.3819103342.634.028275.630425.

18、3546269.2131.531368.003468.05685.07354.68910表 3332 发酵罐的设计与选型321 发酵罐的选型发酵罐的选型选用机械搅拌通风发酵罐。3 2.2发酵罐的生产能力、容积及个数的确定(1) 发酵罐容积的确定：3选用公称容积为450m的发酵罐(2) 生产能力的计算：每天需糖液体积 V 糖 为：V36.38 10099%=631.62（m ）糖 =式中 6.38 生产 1t 味精 (100%)的发酵液量，（ m3）若取发酵罐的填充系数a=75%，则每天需要发酵罐总容积V0 为V糖 631.62V 0 = =842.16 （ m3）a75%(3)发酵罐个数的确定

19、：公称容积为33450m的发酵罐，其全容积为500m。每日需要的发酵罐数0为：NV 0842.16N0=个V 总500共需要的发酵罐数N1 为:V0842.16 4124VN总1=个24500每天应有2 个发酵罐出料，共需要3 个发酵罐。500 75%2300实际产量验算：= 35622.684(t)6.38 99%35622.684-20000设备富余量为： =78.11%20000能满足生产要求。3 2.3 主要尺寸的计算发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成。3V全V筒2V封500(m )为了提高空气利用率，罐的高径比取22 。H=2DV全=V 桶 +2V封=D2 /2D+2(h+D

20、)=500m 346椭圆形封头的直边高度忽略不计，以方便计算。V全V筒2V封22D330.785DD2 500(m )24解方程得 D=6.42（m）取 6.5（m）H=2D=13(m)圆柱部分容积 V 桶 为：V 桶 =0.785D2 2D=430（m3)33上下封头体积 V为：V =D（m )封封= 34.524全容积验算： V 全 =V桶 +2V封=430+34.52=499（m3)V 全V 全 符合设计要求，可行3.2.4 冷却面积的确定根据部分味精厂的实测和经验数，谷氨酸放得发酵热高峰值约 4.18 6000kJ/(m 3h) 8 ，则冷却面积按传热方程式计算如下：SQKt m(3.

21、2.4-1)式中 S2冷却面积， mQ 换热量， kJ/h t m 平均温度差，K 总传热系数， kJ/(m 2h )500m3 灌装液量为3500 75%=375(m)Q=3754.18 6000=9405000(kJ/ h)2设发酵液温度 32，冷却水进口温度20，出口温度 27，则平均温度差 t m为：(32 20)(32 27)tm8( C)ln32203227K 值取 4.18 500kJ/(m 2h ) 8 ，Q9405000S562.5 (m2 )K t m4.18 500 83.2.5搅拌器设计由于谷氨酸发酵过程中有中间补料操作， 对混合要求较高， 因此选用六弯叶涡轮搅拌器。8

22、该搅拌器的各部尺寸与罐径D 有一定比例关系，现将主要尺寸列后：D iD6.52 .16(m)33取 2.2m。叶宽 B为：B0.2D i0.2 2.20.44(m)弧长 l 为：l0.375Di0.375 2.20.825 (m )底距 C为：CD6.5 2.16(m)33取 2.2m。盘径 di 为：di0.75D i0.75 2.21.65 ( m)叶弧长 L 为：L0.25Di0.25 2.270.55 (m)叶距 Y为：Y=D=6.5 (m)以单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同这一准则进行的反应器的放大，即 :23n 2d1n1d 2式中 n 2放大的搅拌器的转速， r/minn1模型

23、搅拌器的转速， n=110r/mind1模型搅拌器直径， d=1.65md2放大的搅拌器直径， d=2.2m将各值代入上式d11.65223n2=n1=1103d22.2=90.8（r / min ）=1.51(r / s)取两档搅拌，搅拌转速90.8r/min 。3.2.6搅拌轴功率的确定(1) 不通气条件下的轴功率计算：PN pn3d5(式中 Np 功率数 ,N p=4.8N搅拌器的转速， n=1.51r/sD搅拌器直径， d=2.2m 流体密度， =1070kg/m将各值代入上式P=NPn3d5（） （）（ W）=188.288545（ kW ）(2) 通气发酵轴功率计算：P2nd30.

24、39P 2.25 10 3Q、.g式中 P不通气条件下的轴功率，P=188.288545kWN 搅拌器的转速， n=90.8r/mimD搅拌器直径， d=220cmQ工况下的通气量，Q=50075%0.45=168750000（ ml/min ）将各值代入上式P2nd3 0.39188.288 290.82203 .0 。39P2.2510 310 3117.497(kW )Q2.25g.168750000通常谷氨酸发酵按38331kW/m发酵醪；对于 500m发酵罐，装液量375m则应选取功率 172.5KW的立式电机。本罐采用三角带传动。3.2.7设备结构的工艺设计(1) 空气分布器：本罐

25、使用单管进风，风管直径计算见 3.2.11 。(2) 挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。(3) 消泡浆：本罐使用圆盘放射式消泡浆。(4) 密封方式：本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。(5) 冷却管布置：使用的是竖直蛇管冷却装置。3.2.8竖直蛇管冷却装置设计(1) 求最高热负荷下的耗水量 W为：WQ总C p ( t 2t1 )3式中 Q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 6000 3759405000(kJ / h)Cp冷却水的比热容， Cp=4.18kJ/(kg ) 8t2冷却水终温， t 2 =27t1冷却水初温，

26、t 1 =20将各值代入上式Q总9405000.29(kg / s)W321428.57( kg / h) 89Cp (t 2 t1 )4.18 (27 20)冷却水体积流量为 0.0411m3/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，冷却管总截面积总 A 总 为：A 总W3式中 W冷却水体积流量， W=0.1m/s 冷却水流速， =1m/s代入上式W0.1A 总0.1 (m 2 )1d总A 总0.10.7850.3569(m)0.785取 Dg3509。(2) 冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为总0，组数为 n，则A，管径 dA 总n 0.785d02现根据本罐情况

27、，取 n=12，求管径。由上式得d0A 总0.1n 0.7850.103(m)12 0 .7852查表选取 1084 无缝管， d 内 =100mm，d 平均 =104mm。现取竖蛇管圈端部U 型弯管曲径为 250mm，则两直管距离为500mm，两弯管总长度 l 0 为：l 0D3.145001570(mm)(3) 冷却管总长度 L 计算：2冷却管总面积 S=562.5m。现取无缝钢管 1084，LS562.5.( m)S00.3271720.2冷却管占有体积 V 管 为： 7V管0.7850.1082 1720.2 15.75(m3 )取冷却管组 n=12。(4) 每组管长 L0 为：L.2

28、L1720.0n143.35(m)12另需连接管 4.2m，L 实L 0 4.2 1453.35 4.2 139.15( m )可排竖直蛇管的高度设为静液面高度，下部可伸入封底 500mm。设发酵罐内附件占有体积为 1.5m3，则总占有体积为：VV15.75 1. 5 17.25 ( m 3 )管附件筒体液面为：V总 75%V管V附件V封500 75% 17.2534.5S0.78510.79 (m)6.52截面竖直蛇管总高 H 管 为：H管10.791 .0 11.79 ( m )取管间距为 0.5m。又两端弯管总长 l 0 为：l 03.14 0.51.57 (m)两端弯管总高 1m。则一

29、圈管长 L 为：L2HL2 11.79 +1.57226.72 ( m )0(5) 每组管子圈数 n0 为：n0L 0143.35L5.36(圈)26.72取6圈。L 实26.726 124.2 121974.241720.2(m)现取管间距为：2.5D2.50.1080.27(m)竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m8 。最内层竖蛇管与罐壁的最小距离为：0 .27 50.150.0541.554(m)与搅拌器的距离为：6.52.21.5542 7460.2( m)在允许范围内。(6) 校核布置后冷却管的实际传热面积：Sd平均L实3.14 0.104 1974.24 645.03 562.5 (

30、m 2 )实3.2.9设备材料的选择为了降低造价，本设备选用碳钢材料，精制时用除铁树脂除去铁离子。3.2.10发酵罐壁厚的计算根据压力容器安全技术监察规程 规定，发酵罐属于一级压力容器， 因此，其设计、制造、安装以及使用均须遵照该规定。设计计算须按 GB150-1998钢制压力容器进行。(1) 内压圆筒厚度计算：pDiC1 C2T2p式中 圆筒的设计厚度， mmp设计压力， p=0.4MPaDi圆筒的内直径， D =6500mmi T设计温度下圆筒材料的许应用力， T=124.5MPa 焊缝系数， =0.9C1钢板的厚度负偏差， C1 =0.8mmC2腐蚀裕量， C2=1mm将各值代入上式pD

31、iC1 C0.465002 T22 124.50.8 1 13.42(mm)p0.9 0.4选用 14mm厚的碳钢钢板。(2) 椭圆形封头厚度计算：pD iT20.5p式中 圆筒的设计厚度， mmp设计压力， p=0.4MPaDi 圆筒的内直径，Di =6500mm T设计温度下圆筒材料的许应用力， T=124.5MPa 焊缝系数， =0.9将各值代入上式pDi0.4650011. .61( mm )2 T - 0.5p2 124.50.9 0.50.4选用 12mm厚的碳钢钢板 2。3.2.11接管设计(1) 接管的长度 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。本罐

32、的输料管可选8择不带保温层的，查表5-2 接管长度可取 h=150mm 。(2) 接管直径的确定：接管直径的确定，主要根据流体力学方程式计算。3以排料管为例计算管径。 本罐实装 375m，设 2h 之内排空， 则排料时的物料体积流量 qv 为：q3750.052(m3 / s)v36002取发酵醪流速 =1(m/s) ，则排料管截面积A 物为：q v0.0522)A 物0.052( m1A 物0.785d2则排料管直径 d 为：A 物0.05226d0.7850. (m)0.785选取 3258 无缝管， d 内 =309mmd平均 =260mm ,认为适用。以通风管为例计算管径，通风量Q1 为：Q 375