食品发酵工程课程设计

1、 食品发酵工程课程设计班级：食品班姓名： 学号：200指导老师：目录1 设计任务书：1 2 设计概述与设计方案简介：22.1味精生产工艺概述32.2 味精工厂发酵车间的物料衡算32.21 工艺技术指标及基础数据32.22 谷氨酸发酵车间的物料衡算42.3 机械搅拌通风发酵罐42.31 通用型发酵的几何尺寸比例42.32 罐体52.33 搅拌器和挡板52.34 消泡器52.35 联轴器及轴承62.36 变速装置62.37 空气分布装置62.38 轴封62.4 气升式发酵罐72.5 自吸式发酵罐72.6 高位塔式生物反应器73 工艺及主要设备、辅助设备的设计计算73.1发酵罐73.11发酵罐的选型

2、73.12生产能力、数量和容积的确定73.13 主要尺寸的计算：83.14冷却面积的计算83.2搅拌器计算93.21搅拌轴功率的计算103.3设备结构的工艺计算113.4 设备材料的选择10133.5发酵罐壁厚的计算133.6接管设计143.7支座选择144设计结果汇总表145 设计评述156 参考资料15致谢161 设计任务书：食品发酵工程课程设计任务书学生姓名班级指导教师题目机械搅拌通风发酵罐的设计设计基本参数发酵罐体积：100m3 生产能力：年产2万吨味精（99%）原料：淀粉含量86%的工业淀粉生产日：全年320天操作条件：发酵时间：3436h，发酵温度：32 发酵冷却水：入口温度：20

3、 ，出口温度：26设计要求及内容1、设计方案简介；对选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要论述。2、总物料衡算3、发酵罐的主要尺寸计算4、搅拌功率及搅拌转速的计算5、冷却面积及冷却水用量计算6、发酵罐壁厚计算7、局部尺寸及辅助设备的确定8、编写设计说明书 将设计所选定的工艺流程方案、主要步骤及计算结果汇集成工艺设计说明书。应采用简练、准确的文字图表，实事求是的介绍设计计算过程和结果。设计说明书要求在6000字以上，A4纸打印。设计说明书内容：（1） 封面（课程设计题目、学生班级、姓名、指导教师、时间）（2） 目录（3） 设计任务书（4） 概述与设计方案简介（5） 工艺及设备设计计算（6） 辅助

4、设备的计算及选型（7） 设计结果汇总表（8） 设计评述（9） 参考资料（10） 主要符号说明（11） 致谢各阶段时间安排（以天为单位计算） 用一周时间集中进行1. 设计方案选定：0.5天2. 主要设备的设计计算：2天3. 辅助设备的选型：0.5天4. 编写设计说明书：2天2 设计概述与设计方案简介： 味精又称味素，是调味料的一种，主要成分为谷氨酸钠。要注意的是如果在100以上的高温中使用味精，鲜味 剂谷氨酸钠会转变为对人体有致癌性的焦谷氨酸钠。还有如果在碱性环境中，味精会起化学反应产生一种叫谷氨酸二钠的物质。所以要适当地使用和存放。谷氨酸钠是一种氨基酸谷氨酸的钠盐。是一种无嗅无色的晶体，在23

5、2C时解体熔化。谷氨酸钠的水溶性很好，在100毫升水中可以溶解74克谷氨酸钠。它是L谷氨酸单钠盐(Mono sodium glutamate)的一水化合物(HOOC-CH2CH(NH2)-COONaH20)，具有旋光性，有D型和L型两种光学异构体。味精具有很强的鲜味(阈值为0. 03%)，现已成为人们普遍采用的鲜味剂，其消费量在国内外均呈上升趋势。1987年3月，联合国粮农组织和世界卫生组织食品添加剂专家联合委员会第十九次会议，宣布取消对味精的食用限量，再次确认为一种安全可靠的食品添加剂1。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

6、，目前世界各国均以此法进行生产。谷氨酸发酵是通气发酵2，该生产工艺和设备具有很强的典型性，本设计对味精发酵生产工艺及主要设备作简要介绍，以期有助于了解通气发酵工艺和主要设备的有关知识。2.1味精生产工艺概述味精发酵法生产的总工艺流程味精生产全过程可划分为四个工艺阶段:(1)原料的预处理及淀粉水解糖的制备;(2)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。与这四个工艺阶段相对应味精生产厂家一般都设置了糖化车间、发酵车间、提取车间和精制车间作为主要生产车间。另外，为保障生产过程中对蒸汽的需求，同时还设置了动力车间，利用锅炉燃烧产生蒸汽，并通过供气管路输送到各个

7、生产需求部位。为保障全厂生产用水，还要设置供水站。所供的水经消毒、过滤系统处理，通过供水管路输送到各个生产需求部位4。2.2 味精工厂发酵车间的物料衡算 2.21 工艺技术指标及基础数据 （1）查发酵工厂工艺设计概论味精行业国家企业标准5，选用主要指标如表1表1 味精发酵工艺技术指标指标名称单位指标数生产规模t/a10000（味精）生产方法中糖发酵，一次等电点提取年生产天数d/a320产品日产量t/d31.25产品质量纯度%99倒灌率%1.0发酵周期h3436h发酵初糖Kg/m3150淀粉糖转化率%95糖酸转化率%48麸酸谷氨酸含量%90谷氨酸提取率%80味精对谷氨酸率%1122.22 谷氨酸

8、发酵车间的物料衡算 首先计算生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原辅材料及其他物料量。（1）发酵液量V1 式中 150发酵培养基初糖浓度（kg/m3） 48%糖酸转化率 80%谷氨酸提取率 99%除去倒灌率1%后的发酵成功率 112%味精对谷氨酸的精制产率（2）发酵液配制需水解糖量G1 以纯糖算， （3）耗用淀粉原料量 理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用的淀粉量G为：G=2349/(86%95%111%)=2590.2kg式中 86%淀粉原料含纯淀粉量 95%淀粉糖转化率2.3 机械搅拌通风发酵罐机械搅拌发酵是目前使用最多的一种发酵罐，使用性好、适应性好、

9、放大容易，从小型直至大型的微生物培养过程都可以应用。缺点：罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。2.31 通用型发酵的几何尺寸比例H/D2.5-4公称体积：罐的圆柱体积和底封头体积的和。2.32 罐体要求罐体设计的使用压力达到0.3MPa以上。小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔用于清洗和配料。2.33 搅拌器和挡板搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动，其作用为混合和传质，它使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气液界面，获得所需的溶氧速率，并使细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气液固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过

10、程。搅拌叶轮大多采用涡轮式，涡轮式搅拌器的叶片有平叶片、弯叶片、箭叶式三种。平叶式功率消耗较大，弯叶式较小，箭叶式又次之。涡轮式搅拌器轴向混合较差，搅拌强度随搅拌轴距离增大而减弱。此外还有其他新型搅拌器：Scaba搅拌器其叶片的特殊形状消除了叶片后面的气穴，从而使通气功率下降较小，因此可将电机的设计功率几乎全部用于气-液分散及传质。Prochem轴向流搅拌器，其通气功率下降较小。Lightnin公司的A315轴向流桨，比较适合高粘度非牛顿物系。Intermig搅拌器有较低功率准数，通气功率值较小，在黄原胶发酵中有较好的混合性能，但存在不稳定性问题。挡板：防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍流和溶

11、氧传质。挡板的高度自罐底起至设计的液面高度止。全挡板条件：在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失。2.34 消泡器（1）罐内机械消泡，耙式消泡桨（2）旋转圆板式消泡装置：设在发酵罐内的气相中，与发酵液的液面保持平行。圆板旋转的同时将槽内发酵液注入圆板的中央，通过离心力将破碎成微小泡沫散向槽壁，达到消泡的目的。（3）液体吹入式机械消泡：把空气及空气与发酵液吹入发酵罐中形成的泡沫层来进行消泡（4）气体吹入管内吸引消泡：将发酵内形成气泡群吸引到气体吸入管，利用气体流速进行消泡。该装置中在靠近吸入口附近的气体吸入管内形成增速用的喷头，而吸入管用来连接液面上部与增速喷头的负

12、压部位。（5）冲击反射板机械消泡：把气体吹入液面上部，通过在液面上部设置的冲击反射，吹回到液面，而将液面上产生的泡沫击碎的方法。（6）超声波消泡：将空气在1.53.0Mpa下，以12m/s的速度由喷嘴喷入共振室而起消泡的作用。该法目前仅适用于小型发酵过程的消泡，而不适合于大规模工业发酵的消泡。（7）碟片式消泡器的机械消泡：使用时将消泡器安装于发酵的罐顶，使碟片位于罐顶的空间内，用固定法与排气口相连接，当高速旋转时进入碟片间的空气中的气泡被打碎同时甩出液滴，返回发酵罐中，而被分离后的气体由空心轴径排气口排出。（8）罐外机械消泡（9）喷雾消泡：利用冲击力、压缩力及剪断力来进行消泡的方法，它将水及发

13、酵液等通过适当的喷雾器喷出来达到消泡的目的。（10）离心力消泡：将泡沫注入用网眼及筛目较大的筛子做成的筐中，通过旋转产生的离心力将泡沫分散，从而达到消泡的目的。（11）旋风分离器消泡：发酵罐内产生的泡沫通过旋风分离器上部进入脱泡器下方引入的气体逆向接触使其破碎。特点：泡沫通过旋风分离器等破碎后，再将带微小泡沫的液体导入装有充填物的脱泡器中，以增大液体表面积，然后从脱泡器下方吹入气体，使其与流下的液体逆向接触进行彻底的脱泡。（12）转向板消泡：泡沫以3090m/s的速度由喷头喷向转向板使泡沫破碎，分离液用泵送回发酵内，而气体则排出消泡器外。2.35 联轴器及轴承搅拌轴较长时，常分为二至三段，用联

14、轴器连接。2.36 变速装置试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置。2.37 空气分布装置有单管、环形管及采用气、液流射混合搅拌装置。单管式喷孔的总截面积等于空气分布管截面积。气、液流射混合搅拌装置由环形布气管和多个切向布置的气、液射流器组成。该装置使气、液两相混合物产生与机械搅拌器旋转方向一致的径向全循环的喷射旋流运动，其气泡直径随着通气量的增大或喷嘴推动力的增加而减小，乳化程度加剧，气、液两相接触面积增加，容量传质系数提高。2.38 轴封作用：防止泄漏和染菌。端面轴封的作用是靠弹性元件（弹簧、波纹管）的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密

15、地相互贴合，并作相对转动而达到密封。端面轴封的优点：清洁，密封可靠，使用时间长；无死角；摩擦功率耗损小；轴或套不受磨损；对轴的震动敏感性小。测量系统：传感器系统，用以测量pH、溶氧等，传感器要求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。附属系统：包括视镜、挡板等以观察发酵液的情况或强化发酵液体的混合。2.4 气升式发酵罐在环流管底置有空气喷嘴，空气在喷嘴口以250300m/s的高速喷入环流管，由于喷射作用，气泡被分散于液体中，借助与环流管内气液混合物的密度与反应主体之间的密度差，使管内气液混合物连续循环流动。罐内培养液中的溶解氧由于菌体的代谢而逐渐减小，当其通过环流管时，由于气液接触而达到饱和。类型：气

16、升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气升发酵罐已在工业上应用。2.5 自吸式发酵罐不需空气压缩机提供压缩空气，而是利用特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传质的发酵罐。2.6 高位塔式生物反应器一种高径比较大的非机械搅拌式生物反应器。它不设置机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升时带动流体运动，产生混合效果。适用于培养液粘度低，含固量少，需氧量较低的培养过程。H/D高达7，流体深度大，空气进入培养液后有较大的停留时间，并可将气体重新分散，筛板上的降液口有助于液体的循环运动。3 工艺及主要设备、

17、辅助设备的设计计算3.1发酵罐 3.11发酵罐的选型 选用机械涡轮搅拌通风发酵罐3.12生产能力、数量和容积的确定 发酵罐容积的确定：选用100m3 罐 生产能力的计算：现每天生产99%纯度的味精20000t，谷氨酸的发酵周期为34h (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 。每年产纯度为99%的味精20000t，每年生产320天，每吨100%的味精需糖液15.66(m3)V糖=15.66(2000080%90%)/320+(2000020%80%)/320=931.77 (m3)设发酵罐的填充系数=70%；则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V0 （发酵周期为

18、34h）。V0 = V糖/=485/0.7= 1331.1(m3)发酵罐个数的确定：公称体积为100m3 的发酵罐，总体积为118 (m3) N1= V糖 t/（V总24）=931.7736/(1180.724)=16.9（个）取公称体积100 m3 发酵罐17个，其中一个留作备用。每天的装罐量： 17/3624=11.3实际产量验算：1150.711.3/(15.6680%90%+15.6699%)320=20732t/a富裕量:（20732-20000）/20000=3.7%能满足产量要求3.13 主要尺寸的计算：取高径比 H：D=2：16V总= V1+2V2 =118 m3则有： H=2

19、D；解方程得：V总=0.758D22D +/24D32=118D=4.009m 取D=4m H=2D=8m；查表得封头高：H封 =h1+h2 =1050mm验算全容积V总：d总=V筒+2V封=(/24)D22D+2(/24)D3+(/24)D20.052=118.44V总 符合设计要求，可行。3.14冷却面积的计算为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗机制最多以及环境气温最高时也能冷却下来，必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下设计冷却面积。计算冷却面积使用牛顿传热定律公式，即：发酵过程的热量计算有许多种方法，但在工程计算时更可靠的方法仍然是实际侧得的

20、每发酵液在每传给冷却器的最大热量。多谷氨酸发酵，每发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为。本罐采用竖式列管换热器，取经验值K=4.18500kj/()平均温差： 32 3220 2612 6代入 对公称容量100 m3的发酵罐，每天装12罐，每罐实际装液量为931.77/12=77.6 m3换热面积 =（4.18600077.6）/（4.185008.7）=107.1 m33.2搅拌器计算 选用六弯叶涡轮搅拌器6。 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Di=D0/3=4/3=1.33m取d=1.3 m叶宽 ：B=0.2d=0.21.3=0.26m弧长：l=0.375d=0.37

21、51.3=0.49m底距：C=D/3=1.3m盘踞 ：di=0.75 Di=0.751.3=0.98m 叶弦长：L=0.25 Di =0.251.3=0.33m叶距 ：Y=D=4m弯叶板厚：=12（mm）取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据100m3罐，搅拌直径1.05m，转速N1=95r/min。3.21搅拌轴功率的计算 淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。计算Rem8 式中 D搅拌器直径，D=1.3m N搅拌器转速， 醪液密度，=1050 kg/m3 醪液粘度， =1.310-3Ns/m2将数代入上式：Rem=121.581050/（1.310-3）=2.2106 10 4视为湍流，则搅拌

22、功率准数Np=4.7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4.7 N搅拌转速，N=95r/min=1.58r/s D搅拌器直径，D=1.3m 醪液密度，=1050kg/m3 代入上式：P01=72KW两挡搅拌：P0=2 P01=144KW 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=95r/min D搅拌器直径（cm），D3=1.33106=2.2106 Q通风量（ml/min），设通风比V/Vm=0.110.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。现取0.11；则Q = 79.10.11106=8.7106（ml/min）Q

23、0.08 = (8.7106)0.08=3.57 ml/min代入上式：Pg=116.1KW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%7；代入公式数值得：P电= Pg/123 =116.1/（0.920.990.98）1.01=131.2KW 3.3设备结构的工艺计算 空气分布器：本罐采用单管进风，风管直径1084mm。 挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板 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。冷却管布置：采用竖式蛇管7 最高负荷下的耗水量W式中 Q总每1m3醪液在发酵最旺盛1h的发热量与醪液总体

24、积的乘积 Q总=4.18600042.96=1.08106kJ/h cp冷却水的比热容，4.18kJ/（kgK） t2冷却水终温，t2=26 t1冷却水初温，t1=20将各值代入上式W=1.95106/4.18(26-20)=21.6kg/s冷却水体积流量为21.610-2m3/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=21.610-2m3/s V冷却水流速，v=1m/s代入上式：S总=0.0216/1=0.0216m2进水总管直径 ：d 总2=S总/0.785d 总=0.166m 冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为S总，

25、管径d0，组数为n，则：取n=12，求管径。由上式得： d02 = S总/0.785nd0=0.045m查金属材料表选取573.5mm无缝管9，d内=50mm g=4.62kg/m，d内d0 ，认为可满足要求，d平均=54mm。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573.5mm，每米长冷却面积为则:冷却管占有体积： 每组管长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V总 =V液+V管+V附

26、件=77.6+1.6+0.5=80 m3则筒体部分液深为：(V总V封)/S=(44.36-4)/(0.78533)=5.7m竖式蛇管总高 H管=5.7+0.25=6.0m又两端弯管总长，两端弯管总高为500 mm，则直管部分高度：h= H管-500=6000-500=5500 mm则一圈管长：l=2h+l0=25500+1570=12570 mm 每组管子圈数n0：n0= L0/l =42.8/12.6=4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）。.校核布置后冷却管的实际传热面积：而前有F=107.1m2，可满足要求。3.4 设

27、备材料的选择10选用A3钢制作，以降低设备费用。3.5发酵罐壁厚的计算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=0.4MPa D发酵罐内经，D=400 cm A3钢的应用应力，=127MPa 焊接缝隙， =0.7 C壁厚附加量（cm）式中 C1钢板负偏差，现取C1=0.8mm C2为腐蚀余量，现取C2=2mm C3加工减薄量，现取C3=0S=0.4400/（21270.7-0.4）+0.28=1.2 cm选用10mm厚A3钢板制作。封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式5如下： （cm）式中 P=0.4MPa D=300cm =127MPa C=

28、0.08+0.2+0.1=0.38（cm） =0.73.6接管设计接管的长度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。接管直径的确定：按排料管计算：该罐实装醪量77.6m3，设2h之内排空，则物料体积流量Q=77.6/(36002)=0.0108m3 /s 发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物F物=Q/v=0.0108/1 =0.011m2管径：d=0.118m取无缝管1334mm，125mm 118mm，认为合适。按通风管计算，压缩空气在0.4MPa下，支管气速为2025m/s。现通风比0.10.18vvm，为常温下20，0.1MPa下的情况，要折算0

29、.4MPa、30 状态。风量Q1取大值，Q1=77.60.18=14 m3 /min=3m3 /s 利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf8Qf=0.130.1/0.35(273+30)/(273+20)=0.068m3 /s 取风速v=25m/s，则风管截面积Ff为Ff= Qf /v=0.068/25=0.0027则气管直径d气为：d气=0.06m因通风管也是排料管，故取两者的大值。取1334mm无缝管，可满足工艺要求。排料时间复核：物料流量Q=0.00108m3/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P=Q/Fv=0.0108/(

30、0.1231)=0.88倍排料时间：t=20.88=1.8h3.7支座选择选用裙式支座4设计结果汇总表参数数据参数数据消耗淀粉原料量2590.2kg空气分布器单管进风管径1084mm发酵罐容积100 m3冷却管布置竖式蛇管（不设挡板）发酵罐个数17个进水管管径0.166m罐高6m冷却管573.5mm无缝管（组数为8）直径4m冷却管总长度630m封头高1050mm设备材料A3钢冷却面积107.1发酵罐壁厚1.2mm搅拌器六弯叶涡轮搅拌器封头壁厚1.28mm搅拌抽功率144kw(不通气)接管无缝管1334mm116.1kw(通风)支座裙式支座电功率131.2kw5 设计评述选择机械涡轮搅拌通风发酵罐，由于产品是味精，所以填充系数是0.60.8，根据计算，选择0.7富裕量最合适。H=6m，所以选择ha=750mm,hb=50mm。由于算得Re符合湍流的情况，所以Np选择4.7。本设计选择573.5mm无缝管，即可算得d内d0。符合设计要求。最终算得P=