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(kgL)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通气速率发酵醪初糖浓度13(WV)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105工业淀粉规格80a淀粉酶加酶量（10u/g）0.5 L/T层流罐维持温度95a淀粉酶规格20000 u/ml液化时间1.5h液化pH值6.2CaCl2流加率0.1浆料初温20

2、淀粉质比热容1.55KJ/Kg.K加热蒸汽0.3Mpa灭酶温度120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加酶量（160 u/g）1.6 L/T糖化时间25h灭酶温度80时间20min培养基配方：发酵培养基(W/V)种子培养基(W/V)水解糖174液氨20.24%K2HP04O.15%0.1MgS047H2O0.060.04MnS042 mg/L2 mg/L消泡剂0.04/玉米浆/l.5 %灭菌各参数：培养基灭菌发酵罐灭菌蒸汽0.4MPa蒸汽0.2MPa灭菌前物料温度20200M3发酵罐重34.3t预热75冷却排管6t加热12

3、0比热容0.5KJ/Kg*K冷却水始温20发酵罐始温20冷却水末温45发酵罐末温127灭菌时间1.5h灭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%的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/m3，则发酵液量为：式中180发酵培养基终糖浓度（kg/m3）60%糖酸转化率95%谷氨酸转化率99%除去倒罐率1%后的发酵成功率124%味精对谷氨酸的精制产率（二）、发酵液配制需水解糖量，以纯糖计算：（三）、二级种液量：（四）、二级种子培养液所需水解糖量：式中40二级种液含糖量（kg/m3）（

4、五）、生产1000kg味精需水解糖总量：（六）、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：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：二级种液耗液氨量：2.4V2=0.96（kg）发酵培养基耗液氨量：20V1=160（kg）共耗液氨量：160+0.96=161.0（kg）（八）、磷酸氢二钾耗量：G（K2HPO4）=1.5V1+1V2=12+0.4=12.4（kg）（九）、硫酸镁用量：0.4V2+0.6V1=0.16+4.8=4.96（kg）（十）、消泡剂耗用量：0.4V1=3.2（kg）（十一）、玉米浆耗用量：15V2=6（

5、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：G1×60%（1-1%）=1360×0.6×0.99=807.84（kg）实际生产的谷氨酸（提取率95%）为：807.84×95%=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

6、.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：Q入=Q出+Q损（2-1）式中Q入输入的热量总和（kJ）Q出输出的热量总和（kJ）Q

7、损损失的热量总和（kJ）通常， Q入=Q1+Q2+Q3 （2-2）Q出=Q4+Q5+Q6+Q7 （2-3）Q损=Q8 （2-4）式中Q1物料带入的热量（kJ）Q2由加热剂（或冷却剂）传给设备和所处理的物料的热量（kJ）Q3过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热等（kJ）Q4物料带出的热量（kJ）Q5加热设备需要的热量（kJ）Q6加热物料需要的热量（kJ）Q7气体或蒸汽带出的热量（kJ）把（2-2）（2-4）式代入（2-1）式，得Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6+Q7+Q8值得注意的是，对具体的单元设备，上述的Q1Q8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

8、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200m3。发酵罐装料系数85%，每罐产100%味精的量：200×0.85×10%×95%×124%×1.272=25.47（t/d）式中1.272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

9、台数：取9台由于装罐率，所以每罐初始体积160m3糖浓度18.0g/dl，灭菌前培养基含糖20.0g/dl，其数量：每日投料罐次取6罐次。灭菌加热过程中用0.4MPa，I=2743 KJ/kg，使用板式换热器将物料由20°C预热至75°C，再加热至120°C，冷却水由20°C升到45°C。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：3.2×3×3=28.8 （t/d）高峰用蒸汽量：3.2×4=12.8 （t

10、/h）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/（kg·°C），用0.2MPa（表压）蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15 MPa（表压）下由20°C升至127°C，其蒸汽量为：2、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=V=200×1.39=278 （kg/h）式中：V发酵罐全容积（m3）加热蒸汽的密度（kg/

11、m3）0.15mPa（表压）时为1.39（kg/m3）3、灭菌过程的热功当量损失：200m3发酵罐的表面积为201，耗用蒸汽量：D损=4、罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗：式中：0.001附壁水平均厚度（1mm）1000水密度 （kg/m3）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;每空罐灭菌1.5 h，用蒸汽量：2148.6×1.5=3222.9（kg/罐）每日用蒸汽量：3222.9×3=9668.6（kg/d）=9.7（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.

12、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可按下式计算D=G×C×（T2-T1）÷（h-i）式中：G淀粉浆量（kg/h）C淀粉浆比热容kJ/（kg*K）T2浆料初温（20+273=293K）T1液化温度（95+273=368K）h加热蒸汽焓2738kJ/kg（0.3Mpa,表压）i加热蒸汽凝结水焓，在363K时为377kJ/kg淀粉浆量G：根据物料衡算，日投工业淀粉214.4t；连续液化214.4/24=8.93（t/h）。加水量为1:2.5，分浆量为10600×3.5=37100（kg/h）粉浆比热C可按下式

13、计算：C=C0+C水C=1.55+4.18=5.73 kJ/（kg*K）式中：C0淀粉质比热容，取1.55kJ/（kg*K）C水水的比热容，取4.18 kJ/（kg*K）蒸汽用量D=（kg/h）=7.1（t/h）2、灭酶用蒸汽量灭酶时将液化液由90加热至120，在100时的i为419kJ/kgD灭=（kg/h）=2.9（t/h）要求在20min内使液化液由90升至120，则蒸汽高峰值为：2.9×4=11.6（t/h）以上两项合计，平均量：（7.1+2.9）/2=5（t/h）；每日用量：5×24=120（t/d）（四）糖化工艺热量衡算1、糖化加热蒸汽量加热蒸汽消耗量可按下式计

14、算D2=G×C×（T2-T1）÷（h-i）式中：G淀粉浆量（kg/h）C淀粉浆比热容kJ/（kg*K）T2浆料初温（20+273=293K）T1糖化温度（60+273=333K）h加热蒸汽焓2738kJ/kg（0.3Mpa,表压）i加热蒸汽凝结水焓，在363K时为377kJ/kg淀粉浆量G：根据物料衡算，日投工业淀粉214.4t；连续糖化214.4/25=8.58（t/h）。加酶量为1.6L/T淀粉。蒸汽用量D=（kg/h）=3.8（t/h）2、灭酶用蒸汽量灭酶时将糖化液由60加热至80，在80时的i为419kJ/kgD灭=（kg/h）=1.9（t/h）要求在20

15、min内使糖化液由60升至80，则蒸汽高峰值为：1.9×4=7.7（t/h）以上两项合计，平均量：（1.9+3.8）/2=2.85（t/h）；每日用量：2.85×24=68.4（t/d）三、谷氨酸发酵的水平衡计算培养基冷却用水量：由120°C热料通过与生料热交换，降至80°C，再用水冷却至35°C，冷却水由20°C升至45°C，计算冷却水量（W）：W=68896（kg/h）=69（t/h）全天用水量：69×3×4=828（t/d）发酵过程产生的热量及冷却用水量。发酵过程的热量通过发酵液温度升高进行计算：关

16、闭冷却水观察罐内发酵液温度升高，计算Q最大：Q最大=KJ/（m3·h）式中：G发酵液重量（kg）C发酵液比热容KJ/（kg·°C）t1h内发酵液温度升高数（°C）G1设备筒体的重量（kg）C1设备筒体的比热容KJ/（m3·h）V发酵液体积（m3）根据味精厂的实测和经验数，谷氨酸的发酵热高峰值约53341 KJ/（m3·h）200 m3发酵罐，装料量160 m3使用新鲜水，冷却水进口温度10°C，出口温度20°C，冷却水用量（W）：W=114832.5（kg/h）114.8（t/h）日运转9台，高峰用水量：114.8

17、×9=1033.2（t/h）日用水量：1033.2×0.8×24=19837.4（t/h）式中：0.8各罐发热状况均衡系数平均用水量：19837.4/24=826.6（t/h）设备设计与选型一、发酵罐（一）发酵罐类型选用机械涡轮搅拌通风发酵罐（二）发酵罐容积的确定随着科技的发展，现有的发酵罐容量系列有：5，10，20，50，60，75，100，120，150，200，250，500m3等等。一般说来单罐容量越大，经济性能越好，但风险也越大，要求技术管理水平也越高，根据生产的规模和实用性，可以先选择公称容积为200 m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐。（三）生产能力的计

18、算现每天产99%纯度的味精136.4吨，谷氨酸生产周期为40h（包括发酵、发酵罐清洗、灭菌进出物料等辅助操作时间）。则每天需发酵液体积为V发酵。每天产纯度为99%的味精136.4吨，每吨100%的味精需发酵糖液8m3：V发酵=8×136.4×99%=1080.3（m3）发酵罐填充系数为=85%，则每天需要发酵罐的总容积为V0（生产周期为40h）。V0= V发酵/=1080.3/0.85=1271（m3）（四）发酵罐个数的确定以公称容积为200 m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为基础，则需要发酵罐的个数为N。N= V发酵/（V总*24）=1080.3×40/（200&

19、#215;0.85×24）=10.6（个）则需要取公称容积为200 m3的发酵罐11个；现以单灌公称容量为200 m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为例，每天需要200m3N0个：N0=1271÷200=6.36约为7个实际产量为：富裕量：（49087.5-45000）/45000=9%，满足产量要求。（五）主要尺寸的计算：取高径比 H：D=2：1则有：因为H=2D；解方程得：取D=5m，H=2D=10m；封头高：封头容积 ：V封=16.4（m3）圆柱部分容积：V筒=197m3验算全容积V全：V全=V全符合设计要求，可行。（六）冷却面积的计算对谷氨酸发酵，每1m3发酵液、每1h

20、传给冷却器的最大热量约为4.18×6000kJ/（m3·h）。采用竖式蛇管换热器，取经验值K=4.18×500 kJ/（m3·h·）。平均温差tm：对公称容量200 m3的发酵罐，每天装7罐，每罐实际装液量为换热面积（七）搅拌器计算：选用六弯叶涡轮搅拌器。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：取Di=1.7（m）叶宽 ：弧长：底距：盘踞 ：叶弦长：叶距 ：弯叶板厚：=12（mm）取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，转速N1=110r/min。以等P0/V为基准6放大求得：（八）搅拌轴功率的计算淀粉水解糖

21、液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。1、计算Rem式中：D搅拌器直径，D=1.7mN搅拌器转速，醪液密度，=1050 kg/m3醪液粘度， =1.3×10-3N·s/m2将数代入上式：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P0：式中Np在湍流搅拌状态时其值为常数4.7N搅拌转速，N=80r/min=1.33r/sD搅拌器直径，D=1.7m醪液密度，=1050kg/m3 代入上式：两挡搅拌：3、计算通风时的轴功率Pg式中P0不通风时搅拌轴功率（kW），N轴转速，N=80r/minD搅拌器直径（cm），D3=1.73×106=4.9×1

22、06Q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=155×0.11×106=1.7×107（ml/min）代入上式：4、求电机功率P电：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：（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133×4mm。2、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，处理轴与罐的动静问题。4、冷却管布置：采用竖式蛇管最高负荷下的耗水

23、量W：式中Q总每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积cp冷却水的比热容，4.18kJ/（kg·K）t2冷却水终温，t2=45t1冷却水初温，t1=20将各值代入上式：冷却水体积流量为3.72×10-2m3/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：式中W冷却水体积流量，W=3.72×10-2m3/sV冷却水流速，v=1m/s代入上式：进水总管直径 ：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：查金属材料表选取89×4mm无缝管， ，认为可满足要

24、求，。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：冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积现取无缝钢管89×4mm，每米长冷却面积为则:冷却管占有体积：组管长L0和管组高度：另需连接管8m：可排竖式直蛇管的高度，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0.5m3，则：总占有体积为则筒体部分液深为：竖式蛇管总高又两端弯管总长，两端弯管总高为600mm，则直管部分高度：则一圈管长：每组管子圈数n0：取8圈现取管间距为，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）。校核布置后冷却

25、管的实际传热面积：而前有F=231.5m2，可满足要求。（十）设备材料的选择：选用A3钢制作，以降低设备费用。（十一）罐壁厚的计算1、计算法确定发酵罐的壁厚S： （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=500cmA3钢的应用应力，=127MPa焊接缝隙， =0.7C壁厚附加量（cm）式中C1钢板负偏差，现取C1=0.8mmC2为腐蚀余量，现取C2=2mmC3加工减薄量，现取C3=0选用14mm厚A3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： （cm）式中P=0.4MPaD=500cm=127MPaC=0.08+0.2+0.1=

26、0.38（cm）=0.7将数据代入公式得：（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100200mm。2、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：发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物。因为管径：取无缝管133×4mm，125.mm117mm，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20，0.15MPa下的情况，要折算0.2MPa、30 状态。风量Q1取大值：。利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf取风速v=25

27、m/s，则风管截面积Ff为因为气管直径d气为：因通风管也是排料管，故取两者的大值。取133×4mm无缝管，可满足工艺要求。排料时间复核：物料流量Q=0.0115m3/s，流速v=1m/s；管道截面积：，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：（十三）搅拌器：采用六弯叶涡轮搅拌器。直径：Di0.30.35D现取：叶片宽度：弧长：盘径：叶弦长：搅拌器间距：底距：搅拌器转速N2，根据50L罐，470r/min，使用P0/V为基准放大6，50L罐N1470r/min，搅拌器直径D1=112mm，两挡搅拌。（十四）支座选型：选用支撑式支座：二、种子罐发酵所需的种

28、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：式中V总发酵罐总容积（m3）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810h，生产周期1618h，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：简化方程如下：整理后：（m3

29、）解方程得：D=1.85m则H=2D=2×1.85=3.7（m）查得封头高H'封罐体总高H'罐：单个封头容量：V'封=0.971（m3）封头表面积：S封=4.05m2圆筒容量 ：不计上封头容积 ：校核种子罐总容积V'总：比需要的种子罐容积11.5m3大 ，可满足设计要求。（三）、冷却面积的计算：采用夹套冷却1、发酵产生的总热量：2、夹套传热系数：现取K=4.18×220kJ/（m2·h·）3、平均温差：发酵温度32；水初温2023，取23；水终温27，则平均温差：4、需冷却面积F：5、核算夹套冷却面积：按静止液深确定夹套高

30、度： 静止液体浸没筒体高度：夹套可能实现的冷却面积为封头表标面积S封与圆筒被液体浸没的筒体为表面积S筒之和：夹套高度应不高于动态时的液面高度，因高于液面的传热面积，并没有起多少冷却作用。综上，传热需要的面积F=12（m2）该设计夹套能提供的冷却面积为S夹=21.5 m2。S夹F，可满足工艺要求。6、设备材料的选择：采用A3钢制作。7、壁厚计算：（1）、夹套内罐的壁厚：式中D设备的公称直径，185cmm外压容器的稳定系数，与设备的起始椭圆度有关，在我国，m=3P设计压力，与水压有关，P=0.4MPaE金属材料的弹性模量9，对A3钢E=2×105MPaC壁厚附加量，C=C1+C2+C3=

31、0.08+0.1+0=0.18L筒体长度，L=110cm将数值代入公式：取10mm。（2）、封头的厚度封：查发酵工厂工艺设计概论P317表16 碳钢椭圆封头最大需用内部压力：I.对于上封头，取封=6mm；II.对于下封头，取封=8mm；.冷却外套壁厚：查发酵工厂工艺设计概论P314表13 碳钢与普低钢制内压圆筒壁厚，确定套=5mm；.外套封头壁厚：查发酵工厂工艺设计概论P316表15 椭圆形封头（JBH5473），确定套封=6mm；8、设备结构的工艺设计（1）、挡板：根据全挡板条件，式中：B挡板宽度，B0.1D=0.1×1850=185mmD罐径，D1850mmZ挡板数：取Z6块（2）、搅拌器：采用六弯叶涡轮搅拌器直径：Di0.30.35D现取：叶片宽度：弧长：盘径：叶弦长：搅拌器间距：底距：搅拌器转速N2，根据50L罐，470r/min，使用P0/V为基准