谷氨酸发酵车间的物料衡算

1、工艺计算生产方法：以工业淀粉为原料、双酶法糖化、流加糖发酵，低温浓缩、等电提取。主要技术指标:生产天数330天发酵周期40小时淀粉糖转化率98.5 %产品纯度99%原料淀粉含量80%流加糖浓度40% (kg Z L)发酵谷氨酸产率10%发酵罐填充系数85%糖酸转化率60%种子罐填充系数85%氨酸提取收率95%接种量5%味精对谷氨酸的精制收率124%通气速率0.1-0.18vvm发酵醪初糖浓度13% (WZV)辅助设备用气量10%淀粉液化工艺参数:淀粉乳浓度28.6 %喷射器出口温度105C工业淀粉规格80%a淀粉酶加酶量（10u/g）0.5 L/T层流罐维持温度95 ra淀粉酶规格20000

2、u/ml液化时间1.5h液化pH值6.2CaCI2流加率0.1 %浆料初温20 C淀粉质比热容1.55KJ/Kg.K加热蒸汽0.3Mpa火酶温度120C上升温度时间20min淀粉：水1: 2.5糖化工艺参数:糖化pH值4.3糖化酶规格10 万 u/ml糖化温度60 C加酶量（160 u/g ）1.6 L/T糖化时间25h火酶温度80 C时间20mi n培养基配方:发酵培养基(W/V)种子培养基(W/V)水解糖17%4%液氨2%0.24%K2HPQ0.15%0.1 %MgS0?7HO0.06 %0.04 %MnSO2 mg/L2 mg/L消泡剂0.04 %/玉米浆/1.5 %灭菌各参数:培养基火

3、菌发酵罐火菌蒸汽0.4MPa蒸汽0.2MPa火菌前物料温度20 C200M发酵罐重34.3t预热75 r冷却排管6t加热120C比热容0.5KJ/Kg*K冷却水始温20 r发酵罐始温20 C冷却水末温45 C发酵罐末温127C火菌时间1.5h火菌中其它蒸汽损耗总汽耗30%一、谷氨酸发酵车间的物料衡算首先计算生产1000kg纯度为100%勺味精需耗用的原材料以及其他物料量(一) 、发酵液量设发酵液初糖和流加高浓糖最终发酵液总糖浓度为180kg/_：，则发酵液量为:8.0(m3)1000180 60% 95% 99% 124%式中180发酵培养基终糖浓度(kg/:；.)60%糖酸转化率95谷氨酸转

4、化率99除去倒罐率1%t的发酵成功率124%味精对谷氨酸的精制产率(二八 发酵液配制需水解糖量，以纯糖计算：G1 V 1701360(kg)(三八 二级种液量：V2 5%V1 0.4(m3)(四八 二级种子培养液所需水解糖量：G240V216(kg)式中40二级种液含糖量(kg/匕)(五八 生产1000kg味精需水解糖总量:G G1 G21360161376(kg)(六八 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:G 淀粉 G (80% 98.5% 111%)1572.6(kg)式中80%-淀粉原料含纯淀粉量98.5%淀粉糖化转化率(七)、液氨耗用量：

5、二级种液耗液氨量：2.4V2=0.96 (kg)发酵培养基耗液氨量：20=160 (kg)共耗液氨量：160+0.96=161.0 (kg)(八八磷酸氢二钾耗量:G(K2HPO) =1.5Vi+1V2=12+0.4=12.4 (kg)(九八硫酸镁用量:0.4V2+0.6Vi=0.16+4.8=4.96 (kg)(十八 消泡剂耗用量：0.4Vi=3.2 (kg)(十一)、玉米浆耗用量：15V2=6 (kg)(十二)、硫酸锰耗用量：0.002V2=0.8 (g)(十三)、谷氨酸量：发酵液谷氨酸含量为：G1X 60% (1-1%) =1360X 0.6 X 0.99=807.84 ( kg)实际生产

6、的谷氨酸(提取率95%为：807.84 X 95%=767.45 (kg)45000t/a味精厂发酵车间的物料衡算表物料名称生产 1t 味精(100%的物料量生产45000t/a 味精的物料量每日物料量发酵液量/ m383600001091二级种液量/ m30.41800054.55发酵水解用糖量/kg1360612000001885454.5二级种培养用糖量/kg167200002181.8水解糖总量/kg137661920000187636.4淀粉用量/kg1572.6707670214445.5液氨用量/kg1617245021954.55磷酸二氢钾用量/kg12.45580001691

7、硫酸镁用量/kg4.96223200676.4消泡剂用量/kg3.2144000436.4玉米浆用量/kg6270000818.2硫酸锰用量/g0.0008360.11谷氨酸量/kg767.4534535250104652.3二、谷氨酸发酵的热量衡算热量衡算是根据能量守恒定律建立起来的，热平衡方程表示如下：刀 Q入=E Q 出+E Q损（2-1 ）式中刀Q入一输入的热量总和（kJ）刀Q出一输出的热量总和（kJ）刀Q损一损失的热量总和（kJ）通常，刀 Q入=Q+Q+Q （ 2-2）刀 Q出=Q+Q+Q+Q（ 2-3）刀 Q损=Q（ 2-4）式中Q物料带入的热量（kJ）Q由加热剂（或冷却剂）传给设

8、备和所处理的物料的热量（kJ）Q过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热等（kJ）Q物料带出的热量（kJ）Q加热设备需要的热量（kJ）Q加热物料需要的热量（kJ）Q气体或蒸汽带出的热量（kJ）把（2-2 ）（2-4）式代入（2-1 ）式，得Q+Q+Q=Q+Q+Q+Q+Q值得注意的是，对具体的单元设备，上述的 QQ各项热量不一定都存在，故进行 热量衡算时，必须根据具体情况进行具体分析。连续灭菌和发酵工序热量衡算计算指标 （以淀粉质为原料）计算指标见表2.1表2.1计算指标项目工艺参数淀粉糖化转化率98.5%发酵谷氨酸产率10%糖酸转化率60%谷氨酸提取收率95%味精对谷氨酸的精制收率124%原料淀粉

9、含量80%发酵周期40h生产天数330d(一)培养液连续灭菌用蒸汽量：经工艺物料衡算结果，发酵采用发酵罐体积为2OOm3。发酵罐装料系数85%每罐产100淋精的量：200X 0. 85X10%X9 5%X 124%X 1.272=25.47 (t/d )式中 1.272纯味精相对分子质量187 1 272纯谷氨酸相对分子质量147.年产商品味精4.5万吨，日产100%味精136.4吨.发酵周期为40h,需发酵罐台数:136440 8.9取 9 台25.47 24由于装罐率，所以每罐初始体积160卅糖浓度18.0g/dl ,灭菌前培养基含糖20.0g/dl，其数量：160 18 144( t)2

10、0136 4每日投料罐次13645.4 取6罐次。25.47灭菌加热过程中用0.4MPa l=2743 KJ/kg，使用板式换热器将物料由20C预热 至75 C,再加热至120 C,冷却水由20C升到45 G消毒灭菌用蒸汽量(D):D=3212 (kg/h ) 3.2(t/h )式中： 3.97为糖液的比热容，KJ/ (kg C)每天用蒸汽量：3.2 X 3X 3=28.8 (t/d )3.2 X 4=12.8(t/h )高峰用蒸汽量:平均用蒸汽量:28.8/24=1.2(t/h )（二）发酵罐空罐灭菌蒸汽量：1、发酵罐体加热：200m3的发酵罐重34.3t，冷却排管重6t，比热容0.5 KJ

11、/ （ kg C）,用0.2MPa （表压）蒸汽灭菌，使发酵罐在 0.15 MPa（表压）下由20C升至127 C,其蒸汽量 为：（34.3 6） 1000 0.5（127 - 20）986（kg）1743-127 4.182、填充发酵罐空间的蒸汽量：因200 m3发酵罐的全容积大于200 m3,考虑到罐内之排管，搅拌器等所占之空间罐 之自由空间仍按200 m3计算，填充空间需蒸汽量：D空=Vp=200X 1.39=278 ( kg/h )式中：v发酵罐全容积（吊）p加热蒸汽的密度（kg/ m ） 0.15mPa（表压）时为1.39 （kg/m ）3、火菌过程的热功当量损失：200m发酵罐的表

12、面积为201卅，耗用蒸汽量：201 25 94D 损= 201 25.94（70-20） 199（kg）2743-127 4.184、罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗：201 0.001 1000 4.18 /（127-20）41（kg）2743-127 4.18式中： 0.001 附壁水平均厚度（1mm31000水密度（kg/m ）5、灭菌过程蒸汽渗漏，取总汽消耗量的 30%空罐灭菌蒸汽消耗量986 278 199 411 0.32148.6(kg/h)每空罐灭菌1.5 h，用蒸汽量：2148.6 X 1.5=3222.9 （ kg/罐）每日用蒸汽量：322299668.6 (kg/d ) =9

13、.7 (t/d )平均用蒸汽量：9668.6/24=402.9 (kg/h ) =0.4 (t/h )高峰用蒸汽量：2148.6 4=8594.4 (kg/h ) =8.6 (t/h )(三) 液化工艺热量衡算1、液化加热蒸汽量加热蒸汽消耗量D可按下式计算D=G104视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.72、计算不通气时的搅拌轴功率Po：Po NPN3D5p式中 N在湍流搅拌状态时其值为常数 4.7N搅拌转速，N=80r/mi n=1.33r/sD搅拌器直径，D=1.7m p醪液密度，p =1050kg/m3代入上式：P0 4.7 1.333 1.75 1050 88.2 103W 88.2kW

14、两挡搅拌：F0 2P0176.4kW3、计算通风时的轴功率PgPg2.25 10 3p02nd30.080.39kWRem式中：D搅拌器直径，D=1.7m80N 1.33 r/sN搅拌器转速，60p醪液密度，p =1050 kg/m3卩一一醪液粘度，卩=1.3 X 10-3N- s/m2将数代入上式:式中Po不通风时搅拌轴功率（kW），P176.43.1 10N轴转速，N=80r/mi nD搅拌器直径（cm）, d3=1.73x 106=4.9 X 106Q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=155 0.11

15、 X 106=1.7 X 107 (ml/min )0 087 0-08Q0.081.7 1073.79代入上式：460.3933.1 104 80 4.9 106Pg2.25 1069.1 kWg3.794、求电机功率P电:123采用三角带传动n 1=0.92 ；滚动轴承n 2=0.99 ,滑动轴承n 3=0.98 ；端面密封增加功率为1%代入公式数值得：P电1.0178.2 kW0.92 0.99 0.98（九）设备结构的工艺计算1、 空气分布器：本罐采用单管进风，风管直径133X 4mm2、挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。3、密封方式：本罐采用双面机械密封方式，处理轴与罐的

16、动静问题。4、冷却管布置：采用竖式蛇管最高负荷下的耗水量 WQ总W Cp t21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 6000 1553.89 106 kJ / hcp冷却水的比热容，4.18kJ/ （kg K）t2冷却水终温，12=45Et1冷却水初温，t1=20C将各值代入上式:637225 kg / h37.2 kg/s3.89 104.18 45 20冷却水体积流量为3.72 xi0-2m1/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v式中W冷却水体积流量， W=3.72X 10-2mVsV冷却

17、水流速，v=1m/s代入上式：3.72 10 23.72 10 2 m2进水总管直径： 0.7853.72 10 20.7850.218 m冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为 S总，管径do，组数为n，则: 取n=8,求管径。由上式得：d0戸二亙tn?0.785 V 8 0.7850.077 m查金属材料表选取 89X4mm无缝管，d内81mm g 5.12kg/m , % d，认 为可满足要求，d平均80mm。现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm则两直管距离为600mm两端弯管总长 度为l0l0 D 3.14 6001884 mm冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积F 231.5m2

18、现取无缝钢管 89X 4mm每米长冷却面积为F0 3.14 0.08 1 0.25 m2血F 231.5则：L926 mF00.25冷却管占有体积:V 0.785 0.0892 9265.76 m3组管长Lo和管组高度L 926L0115.75 mn8另需连接管8mL实 L 8926 8934 m可排竖式直蛇管的高度件占有体积为0.5m，则V总叟，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm设发酵罐内附:总占有体积为V液 V管 V附件 154.3 6.16 0.5 161 m3则筒体部分液深为：V总 V封161 16.4r c27.3 mS0.785 5竖式蛇管总高H 管 7.3 0.257.55

19、 m又两端弯管总长1。1884 mm，两端弯管总高为600mm则直管部分高度：h H 管 6007550 6006950 mm则一圈管长：l 2h l02 6950 188415784 mm母组吕子圈数n。：n0L 115.75 7.3 圈取 8 圈l15.8现取管间距为2.5 D外2.5 0.0890.22 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:校核布置后冷却管的实F实允许范围内（不小于200mm。实际传热面积：d平均？L实 3.14 0.08 934 234.6 m2而前有F=231.5m,F实F ,可满足要求。（十）设备材料的选择：选用A钢制作，以降低设备

20、费用（十一）罐壁厚的计算1、计算法确定发酵罐的壁厚S：PQ2 P(cm)式中P设计压力，取最高工作压力的 1.05倍，现取P=0.4MPaD发酵罐内经，D=500cm八 A3钢的应用应力，八 =127MPa焊接缝隙， =0.7C壁厚附加量（cm）0.4 5002 127 0.7 0.40.28 1.4 cmC & C2 C3式中C钢板负偏差，现取Ci=0.8mmG为腐蚀余量，现取C2=2mmC3加工减薄量，现取G=0C 0.8 202.8 mm 0.28 cmS选用14mm厚A钢板制作2、封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下:式中P=0.4MPaPQ2 P(cmD=500cm八=127

21、MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38 (cm) =0.7将数据代入公式得:0.4 4002 127 0.7 0.40.38 1.5 cm（十二）接管设计1、接管的长度h设计：各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取 100 200mm2、接管直径的确定:按排料管计算：该罐实装醪量154.3m3,设4h之内排空，则物料体积流量:Q 15430.0107 m3/s3600 4发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物。v0.0107120.0107 m因为F 物0.785d2管径:F物0.7850.01070.7850.117 m取无缝管 133X 4mm 125.mm 117m

22、m认为合适。按通风管计算，压缩空气在0.2MPa下，支管气速为2025m/s。现通风比 0.10.18vvm，为常温下20C, 0.15MPa下的情况，要折算 0.2MPa 30C 状态。风量 Q取大值：33Q1154.3 0.1827.8m /min 0.463 m /s。利用气态方程式计算工作状态下的风量 Q0.1273 303 ,Qf 0.4630.137 m3 /s0.35 273 20取风速v=25m/s，则风管截面积Ff为FfQfv0.137250.0055 m2因为气管直径d气为:Ff 0.785d 气0.0055:0.7850.084 m因通风管也是排料管，故取两者的大值。取1

23、33X 4mn无缝管，可满足工艺要求排料时间复核：物料流量 Q=0.0115m/s，流速v=1m/s；管道截面积:F 0.785 0.12520.0123 m2 ,在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为排料时间:p 2Fv 0.0123 1t 2 0.871.74 h0.87 倍（十三）搅拌器：采用六弯叶涡轮搅拌器。直径:Di = 0.3 0.35D现取:Di 0.35D0.35 50001750mm叶片宽度:h 0.2Di0.2 50001000mm弧长:r 0.375Di0.375 50001875mm盘径:0.75Di0.75 50003750mm叶弦长:l 0.

24、25Di0.25 50001250mm搅拌器间距:Di 1750mm底距:b 1750mm搅拌器转速N2,根据50L罐，470r/min，使用Po/V为基准放大,50L罐 N =470r/min，搅拌器直径 D=112mm两挡搅拌。N2 N1D22/3D12/3112470 -175075 r/min（十四）支座选型：选用支撑式支座:二、种子罐发酵所需的种子从试管斜面出发，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。种子罐冷却方式采用夹套冷却。（一）二级种子罐容积和数量的确定：1、二级种子罐容积的确定：接种量为5%计算，则种子罐容积V种2为：

25、V 种 2 V 总 5%230 5%11.5m3式中v总发酵罐总容积（m）2、二级种子罐个数的确定：种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上 7罐，需二级种子罐8个。种子罐培 养8h，辅助操作时间8 10h，生产周期16 18h，因此，二级种子罐8个足够，其中 一个备用。（二）、主要尺寸的确定：种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。H: D=2 1,则种子罐总容积量 V总为：V总V筒 2V封简化方程如下：V 2 D30.785D2 2D 11.5 m324整理后：1.57D3 0.26D3 11.5（斥）解方程得：D=1.85m则H=2D=2101.3 10视为湍流，则搅拌功率准数Np=4

26、.7II.计算不通气时的搅拌轴功率 P0：P0NpN3D5p式中N在湍流搅拌状态时其值为常数4.7N搅拌转速，N=146r/mi n=2.43r/sD搅拌器直径，D=0.65mP醪液密度，p =1050kg/m3代入上式：P04.7 2.433 0.655 10507.8 103W 7.8kW两挡搅拌:P0 2P015.6kWIII. 计算通风时的轴功率Pg:3Pg2.25 102 3P0 ND0.080.39kW式中R不通风时搅拌轴功率（kW，P02 15.62 243.4WN轴转速，N=146r/mi nD搅拌器直径（cm），D3=0.653 X 106=2.7 X 105Q通风量（ml/min ），设通风比VVm=0.1 0.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。现取0.11 ;则Q=3.1 X 0.11 X 106=3.41 X 105 (ml/min )0 0850.08Q0.083.41 1052.77代入上式：5 0.393243.4 146 2.7 10