年产10万吨味精厂发酵车间设计

年产10万吨味精厂发酵车间设计PAGEPAGE2年产10万吨味精厂发酵车间设计南阳理工学院本科毕业设计年产10万吨味精厂发酵车间设计AnnualProductionCapacityof100,000TonsofMonosodiumGlutamateFermentationPlantDesignWorkshop学院：生物与化学工程学院专业：生物化学专业学生姓名：*****学号：****指导教师：李杰（讲师）完成日期：2009.5南阳理工学院NanyangInstituteofTechnology年产10万吨味精厂发酵车间设计生物工程专业****[摘要］本设计的题目是年产10万吨味精厂发酵车间设计，在熟悉味精及其生产的基础上通过比较不同工艺的优缺点，确定能满足生产任务的先进、合理的工艺流程。根据所采用的工艺流程、该工艺对原料的利用情况确定满足生产任务所需原料的量，然后确定所采用的设备类型、结构尺寸，同时进行所需水的衡算，同时确定培养基灭菌流程，然后进行所需设备的选型和计算，最后进行发酵车间的设备布置，并制作工艺流程图和设备布置图。[关键词]味精物料衡算发酵车间设计设备选型PAGE39AnnualProductionCapacityof100,000TonsofMonosodiumGlutamateFermentationPlantDesignWorkshopBiologicalEngineeringMajorLITingAbstract：Thisdesignisthesubjectofanannualoutputof100,000tonsofmonosodiumglutamatefermentationplantdesignworkshop,inafamiliarandmonosodiumglutamateproductionbasedoncomparativeadvantagesanddisadvantagesofdifferentprocessestodeterminetheproductiontaskstomeettheadvancedandreasonableprocess.Accordingtotheprocessusedintheprocessofutilizationofrawmaterialstomeetproductionrequirementstodeterminetheamountofrawmaterials,andthenusedtodeterminethetypeofequipment,structure,size,atthesametimetocarryoutthenecessarybalanceofwaterandsteambalance,atthesametimetodeterminemediumsterilizationprocesses,thenecessaryequipmentandthenproceedtotheselectionandcalculationofthefinalfermentationworkshopequipmentlayout,andproductionprocessflowdiagramandequipmentlayout.Keywords：Monosodiumglutamatematerialbalancefermentationworkshopdesignequipmentselection目录TOC\o"1-3"\u前言 11味精生产工艺 31.1工艺选择 31.2原料选择 41.3菌种选择 41.4培养基选择 42工艺设计 62.1物料衡算 62.1.1工艺技术指标及基础数据 62.1.2谷氨酸发酵车间的物料衡算 72.2无菌空气消耗量的计算 92.2.1无菌空气消耗量计算的意义 92.2.2无菌空气消耗量计算 92.3设备的设计选型 112.3.1专业设备设计选型 112.3.2连续操作设备的计算和选型 252.3.3非专业设备的计算和选型 282.4味精厂发酵车间设备一览表 302.5车间设计布置原则 312.6车间布置相关技术参数要求 322.7设备布置说明 33结论 35参考文献 36致谢 37前言味精是人们熟悉的鲜味剂，是世界上应用范围最广、产销量最大的一种氨基酸类物质，是发酵工业和调味工业的主导产业。味精的化学成分是谷氨酸钠,为白色透明有光泽的八面柱状结晶体。易溶于水，不溶于纯酒精、醚及丙酮等有机溶剂，对光稳定，中性条件下水溶液加热也不分解，一般情况下无毒性。味精是重要的调味品之一，作为调味品的市售味精，为干燥颗粒或粉末，因含一定量的食盐而稍有吸湿性，贮放应密闭防潮。商品味精中的谷氨酸钠含量分别有90%、80%、70%、60%等不同规格，以80%最为常见，其余为精盐，食盐起助鲜作用兼作填充剂。市场也有不含盐的颗粒较大的“结晶味精”。据研究：味精可以增进人们的食欲，提高人体对其他各种食物的吸收能力，对人体有一定的滋补作用。其摄入体内后可分解成谷氨酸、酪氨酸，对人体健康有益。但过多的食用味精就会出现一些不良反应，如头昏眼花，眼球突出，上肢麻木，下颌发抖，心慌气喘，晕眩无力等表现。因此，在烹制食品时，放入味精宜适量[1]。味精是世界上应用范围最广、产销量最大的一种氨基酸类物质,是发酵工业和调味工业的主导产业。主要生产国家和地区有中国、韩国、日本、印尼、泰国、法国、巴西和我国台湾等地，其中，亚洲的味精产量占世界总产量的90％，而我国又是世界上最大的味精生产国之一。就人均消费量来看，我国味精消费主要在沿海经济发达地区。据估计，北京市年消费达1.5万吨。因而预期味精需求将有进一步的增长，我国和世界部分地区味精产品的消费潜力很大，市场前景看好，为我国发展味精工业提供了先决条件。我国味精的生产，从技术水平上看，与国外还有不小的差距，主要表现在以下几个方面：①菌种性能，我国平均产酸水平5～6%，日本10～14%，糖酸转化率，我国45％左右，而日本则在50～60％左右；②工艺和过程控制，我国普遍采用底糖或中糖发酵，而日本已采用高糖并实行流加糖工艺；③生产规模，我国生产规模普遍较小；④污染，国外已普遍对味精废液进行了综合利用，我国在培养单细胞蛋白方面取得了一定的成功。经过近年来引进国外技术和技术改进，缩短了我国与国外先进水平的差距。主要表现在以下几个方面:（1）技术提高。谷氨酸平均产酸率从4.58%提高至8.46%，糖酸转化率从38.24%提高到54.07%，提取率从77.87%提高到89.22%，精制率得从89.51%提高到93.50%。均已达到或接近世界先进水平。（2）发酵设备发展朝向大型化。多数味精厂已淘汰了75m3、的发酵罐，广泛采用100m3至200m3的中型罐。1997年,珠海益力味精厂已建立全国最大容量660m3的发酵罐，产酸率达到10％以上。等电点罐从原来的50m3,发展至现时的200m3；离子交换柱由1.2m扩大到6.0m；味精结晶缸由6～10m3扩大到12～25m3。（3）工艺改进。味精生产糖化工艺，1994年，全行业由酸法过渡到酸酶、酶酸法，并采用连续喷射液化，使淀粉糖化收率从90％左右提高到97％～98％，味精总收率提高4％，全行业年增产味精2万多吨，糖液含糖由18-20％提高到30～36％，为酶发酵产酸创造了有利的条件。（4）

开发替代原料,降低生产成本。我国味精生产均以淀粉为原料。成本相对比较高，如全部改用玉米代替大米做原料，每吨味精成本由比国际同行业先进水平高1000元有望降到比国际同行业先进水平低2000元的水平，同时可大大减少生产所形成的有机废水、废渣，实现清洁生产。（5）环保问题，味精行业已成为国家限期治理三河三湖地区的重点行业之一。目前全国主要味精十几个企业基本上实施了废水达标排放。无锡轻工业大学研制的味精封闭循环的清洁生产工艺，在青岛味精厂中试的基础上，在菱花味精厂进行2万吨味精规模的生产性试验，取得满意结果[2]。本设计主要研究以玉米为原料进行发酵生产味精的过程。主要涉及菌种的选育、谷氨酸发酵设备的设计和选型，及发酵条件的控制等方面的内容。关键的问题是工艺流程的选择和确定，这关系到味精产量的多少和质量的好坏，因此工艺流程的确定必须要选择先进、经济的工艺流程。其次就是车间设备的布置，车间设备布置得好坏直接关系着整个工厂的生产效率和能力的耗损，因此必须要慎重解决。最后争取在工艺上力求其合理性和先进性，在设备上尽量采用先进的生产设备，生产过程机械化、自动化，减轻繁重的体力劳动，提高劳动生产率，在技术上尽量采用已成熟的生产技术，使建厂后即能顺利投产，并能达到设计能力。1味精生产工艺1.1工艺选择目前国内正在采用的谷氨酸发酵工艺有酸解法、双酶法、酶酸法等三种，此三种发酵工艺各有优缺点。选择发酵工艺时应该根据具体情况，如所用的原料、发酵设备、提取工艺、水、热量等条件来决定［1］。无论采用哪一种工艺都必须达到提高效率、降低单耗、降低成本，而不能片面追求某一项高指标，必需考虑综合效益。淀粉水解糖或糖蜜淀粉水解糖或糖蜜配料配料菌种一级种子二级种子发酵菌种一级种子二级种子发酵晶种晶种等电点提取等电点提取洗脱母液上离子交换柱离心分离洗脱母液上离子交换柱离心分离谷氨酸谷氨酸中和、脱色中和、脱色真空煮晶真空煮晶分离分离干燥干燥筛分筛分成品（味精）成品（味精）图1发酵法制造谷氨酸的工艺流程Figure1GlutamicAcidFermentationProcesstoCreate目前谷氨酸的生产方法主要有三种：⑴蛋白质水解法：植物蛋白水解提取，甜菜糖蜜中提取；⑵合成法：以化工原料丙烯腈、糖醛、环戊二烯为原料合成；⑶发酵法：以淀粉（或糖蜜）为原料，经糖化、发酵、谷氨酸提取后用谷氨酸制造味精。蛋白质水解制造味精是最古老的一个方法，其优点是水解操作易于掌握，但原料来源少，价格高，得率低，对设备腐蚀性打，劳动繁重，故此法目前已极少使用；合成法的优点是不用粮食原料，但需要高温高压，设备要求高、严密性好，不适于一般工厂生产；目前，国内谷氨酸（味精）的生产已全部采用发酵法，而且多以淀粉为原料，仅有少数工厂采用糖蜜作为原料。这个方法的优点是：①原料来源丰富，含糖原料、碳氢化合物等经微生物发酵均可获得需要的产品，不像水解法那样，只能利用蛋白质为原料。②得率高，成本低。按目前发酵水平，每100kg糖发酵转化为谷氨酸可达45kg左右，如用碳氢化合物转化率可高达70%以上，成本较水解法低50%以上。③有利于机械化自动化生产，劳动强度降低，生产率较高［1］。发酵法生产味精的全过程可划分为四个工艺阶段:ⅰ原料的预处理及淀粉水解糖的制备;ⅱ种子扩大培养及谷氨酸发酵;ⅲ谷氨酸的提取;ⅳ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］。1.2原料选择河南省是华北黄淮主要玉米产区之一，而且是全国的农业大省，其玉米产量更是全国之最。由此可知，选用玉米做原料既满足要求又可以节省很大的原料投资。1.3菌种选择目前国内各味精厂使用的谷氨酸生产菌株主要有：北京棒杆菌（AS.1299）、7338、S–941、D110、WTH–1;钝齿棒杆菌（AS1.542）、HU7251、B9、F–263；天津短杆菌（T6–13）、FM–8207、FM–415、U–9、D85等菌株。通常选用B9菌株作为发酵用菌种，7338菌株作为B9菌株感染噬菌体后的备用调换菌种。1.4培养基选择㈠种子培养基国内谷氨酸发酵种子扩大培养普遍采用二级种子培养的流程，即：斜面菌种→一级种子培养→二级种子培养→发酵罐。⑴一级种子培养一级种子培养的目的在于大量繁殖活力强的菌株，培养基组成应以少含糖分，多含有机氮为主，培养条件从有利于长菌考虑。⑵二级种子培养为了获得发酵所需要的足够数量的菌体，在一级种子培养的基础上进而扩大到种子罐的二级种子培养。种子罐容积大小取决于发酵罐大小和种量比例。㈡发酵培养基与种子培养基不同，发酵培养基不仅是供给菌体生长繁殖所需要的营养和能源，而且是构成谷氨酸的碳架来源，要积累大量谷氨酸，就要有足够量的碳源和氮源，其量大大的高于种子培养基。㈢培养基灭菌方法的选择中小规模的味精厂培养基灭菌多采用实罐间歇灭菌，以简化操作手续。规模较大的厂则考虑连续灭菌以提高经济效益。连续灭菌也叫连消，其温度一般以126～132℃为宜，总蒸汽压力要求达到0.044～0.049MPa以上。本设计采用连消塔喷淋冷却流程［2］。图2连消塔喷淋冷却流程图Figure2EvenEliminateSprayCoolingTowerFlowChart2工艺设计2.1物料衡算年产10万吨味精工厂发酵车间物料平衡时工艺计算的基础，它是工艺设计工作从定性分析进展到定量计算的开端。一旦选定了生产方法并完成了工艺流程示意图的设计后，就可以进行物料平衡计算，通过物料平衡计算可以求出生产过程中原料、中间体和产品等进出生产设备的物料的成分、重量和体积，进而计算出生产产品的原料消耗定额以及单位时间内（日或年）原料的消耗量，成品的产量和副产物、废物等物料的排出量。根据物料平衡计算的结果可以确定生产设备的容量、设备的台数和主要尺寸，进行工艺流程草图的设计和水、蒸汽、热量、无菌空气消耗量等地计算。物料平衡计算的基本依据是质量守恒定律，即引入各设备的全部物料质量必须等于离开该设备的全部物料质量和物料损失之和。2.1.1工艺技术指标及基础数据（1）主要技术指标如下表所示［3］：表1谷氨酸发酵工艺技术指标Table1SpecificationsofGlutamicAcidFermentationProcess指标名称单位指标数生产规模t/a100000（味精）生产方法中糖发酵，等电点–离子交换提取年生产天数d/a300产品日产量t/a334产品质量纯度%99倒灌率%0.2发酵周期h48发酵初糖Kg/m3150淀粉糖转化率%108糖酸转化率%60谷氨酸含量%95谷氨酸提取率%95味精对谷氨酸产率%122（2）主要原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，糖蜜20，尿素3.5，磷酸氢二钾1.0，硫酸镁0.6，玉米浆5～10，泡敌0.6，硫酸锰0.002，硫酸亚铁0.002，生物素0.02㎎。（4）发酵初始培养基（g/L）水解糖150，糖蜜4，硫酸镁0.6，氯化钾0.8，磷酸0.2，硫酸亚铁0.002，硫酸锰0.002，尿素（总尿）40，泡敌1.0，生物素0.02㎎（5）接种量为8%。2.1.2谷氨酸发酵车间的物料衡算首先计算生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原辅材料及其他物料量。（1）发酵液量V1式中220——发酵培养基初糖浓度（kg/m3）60%——糖酸转化率95%——谷氨酸提取率99.8%——除去倒灌率0.2%后的发酵成功率122%——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）二级种液量V2：（4）二级种子培养液所需水解糖量G2：式中50——二级种液含糖量（kg/m3）（5）生产1000kg味精需水解糖总量G为：（6）耗用淀粉原料量理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故耗用的淀粉量G淀粉为：式中80%——淀粉原料含纯淀粉量108%——淀粉糖转化率（7）尿素耗用量二级种液耗尿素量为V3：发酵培养基耗尿素为V4：故共耗尿素量为263.834kg（8）糖蜜耗用量二级种液耗用糖蜜量V5：发酵培养基耗糖蜜量V6：合计耗糖蜜36.68kg（9）氯化钾耗量GKCl：（10）磷酸氢二钠（Na2HPO4·7H2O）耗量G3：（11）硫酸镁（MgSO4·7H2O）用量G4：（12）消泡剂（泡敌）耗用量G5：（13）玉米浆耗用量（8g/L）（14）生物素耗用量G7：（15）硫酸锰耗用量G8二级种液耗用糖蜜量发酵培养基耗糖蜜量故共耗硫酸锰量为1.06kg（16）硫酸亚铁耗用量G9二级种液耗用糖蜜量发酵培养基耗糖蜜量故共耗硫酸亚铁量为1.06kg（17）磷酸耗用量G10：（18）谷氨酸（麸酸）量G11发酵液谷氨酸含量为：实际生产的谷氨酸（提取率95%）为：（19）植物油耗用量G12：具体计算结果如表表2100000t/a味精厂发酵车间的物料衡算Table2100000t/aMonosodiumGlutamateFactoryFermentationPlantMaterialBalance物料名称生产1t味精（100%）的物料量100000t/a味精生产的物料量每日物料量发酵液（m3）6.556.55×1052183.34二级种液（m3）0.5245.24×104174.67发酵水解用糖（kg）14411.441×1084.8×105二级种培养用糖（kg）26.22.62×1068733.34水解糖总量（kg）1467.21.47×1084.9×105淀粉用量(kg)1529.91.53×1085.10×105尿素用量263.842.64×1078.8×104糖蜜用量（kg）36.683.67×10612240氯化钾用量（kg）5.245.24×1051746.67磷酸氢二钠用量（kg）0.5245.24×1041746.67硫酸镁用量（kg）4.244.24×1051413.34泡敌用量（kg）6.556.55×1052183.34植物油用量（kg）6.556.55×1052183.34生物素用量（kg）0.02362.36×1037.87玉米浆用量（kg）4.194.19×1051396.67硫酸锰用量（kg）1.06111.0611×105353.7硫酸亚铁用量（kg）1.06111.0611×105353.7磷酸用量（kg）1.311.31×105436.67谷氨酸用量（kg）819.88.198×107273.27×1032.2无菌空气消耗量的计算2.2.1无菌空气消耗量计算的意义大多数微生物的生长、繁殖和代谢都需要氧的存在，尤其是好氧培养过程更是需要消耗大量的氧，氧有时甚至是影响发酵生产的制约因素。在好氧发酵过程中，要使发酵液保持一定的溶氧浓度，就必须向反应系统通入大量的无菌空气，以保证发酵液有一定的溶氧浓度，使发酵过程得以顺利进行。通过无菌空气用量的计算，可以确定与发酵设备配套的压缩机的选型与台数，并进行空气过滤除菌系统的设计［3］。2.2.2无菌空气消耗量计算⑴发酵工业技术指标及基础数据生产一吨味精的发酵液量：6.55m3二级种子液：0.524m3发酵时间：38h发酵周期（含清洗、灭菌等）：48h发酵罐公称容积：500m3发酵罐装料系数：70﹪⑵发酵过程无菌空气用量计算发酵车间无菌空气消耗量主要用于谷氨酸发酵过程通风供氧，其次是种子培养的通气以及培养基压料输送。此外，因设备和管路、管件等的消毒吹干以及其他损耗也构成无菌空气的消耗量。①单罐发酵无菌空气耗用量由经验数据可知，500m3规模的通风搅拌发酵罐的通气率为0.15VVm。ⅰ单罐发酵过程用气量：V=500×70﹪×0.15×60=1050(m3∕h)ⅱ单罐年用气量：Va=V×38×150=6×106m3式中150——每年单罐发酵批次②种子培养等其他无菌空气耗量二级种子培养是在种子罐中进行的，可根据接种量、通气速率、培养时间等进行计算，但通常的设计习惯是把种子培养用气、培养基压送及管路损失等算作一次。一般取这些无菌空气消耗量之和约等于发酵过程空气耗量的25﹪，故无菌空气耗量为：V´=25﹪V=262.5(m3∕h)每年用气量为：Va´=25﹪Va×12=2.1×107m3式中12——发酵罐个数③发酵车间高峰无菌空气消耗量Vmax=12(V+V´)=12×（1050+262.5）=18375(m3∕h)④发酵车间无菌空气年耗用量Vt=12×150(V+V')×38=1.05×108(m3)ⅲ发酵车间无菌空气单耗根据设计，实际味精年产量为：G=550×70%×7×300÷6.55=1.24×105（t／a）故发酵车间无菌空气单耗为：V0=Vt÷G=846.8（m3／t)ⅳ1000000t／a味精厂发酵车间无菌空气衡算表根据上述计算，得出1000000t／a味精厂发酵车间无菌空气用量衡算表。表3发酵车间无菌空气衡算表Table3FermentationPlantSterileAirBalanceSheet发酵罐公称容积(m3)单罐通气量(m3∕h)种子培养耗气量(m3∕h)高峰空气耗量(m3∕h)年空气耗量(m3∕h)空气单耗m3／t味精5001050262.5183751.05×108846.8发酵罐装料系数为70%，发酵周期为40h，年生产天数为300天，实际生产能力为1.24×105t／a，公称容积为500m3，全容积为550m3。2.3设备的设计选型通常，发酵工厂所涉及的设备分为专业设备、通用设备和非标准设备。专业设备是指发酵罐、糖化锅等专业性较强、仅为发酵工厂使用的设备；泵、风机等各行各业都可以使用的设备成为通用设备；非标准设备是指生产车间的贮藏、池子等设施。因本设计只涉及发酵车间，故主要介绍发酵车间设备的工艺设计与选型。热量衡算是工艺设计中的重要内容，它可以为过程设计和操作提供依据，是组织管理、经济核算和最优化的基础。通过热量衡算可以计算出生产过程的能耗，应用蒸汽消耗量等指标，对工艺设计的多种方案进行比较，从而选定先进的生产工艺，或对生产过程提出改造或革新。分析生产过程的经济合理性、过程的先进性，从而找出生产上的问题，进而予以改进。同时，热量衡算还可为设备的造型及其尺寸、台数的确定提供依据。总之，热量衡算的结果有助于生产工艺流程和设备的选择、改进，达到节约能源、降低生产成本、优化生产的目的。2.3.1专业设备设计选型年产10万吨99%纯度的味精厂，其中发酵设备为间歇操作，灭菌设备为连续操作。㈠发酵罐（1）发酵罐的选型当前，好气发酵罐的各种罐型纷纷出现，我国谷氨酸发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐。选用这种发酵罐的原因主要是：历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。（2）生产能力、数量和容积的确定①发酵罐容积的确定：选用500m3罐②生产能力的计算：现每天生产99%纯度的味精334t，每吨100%的味精需糖液6.55m3，谷氨酸的发酵周期为48h(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：设发酵罐的填充系数φ=70%；则每天需要发酵罐的总容积为V0（发酵周期为48h）：③发酵罐个数的确定［5］：公称容积为500m3的发酵罐，全容积为550m3取公称容积500m3发酵罐13个，其中一个留作备用。实际产量验算：富裕量：能满足生产要求。（3）主要尺寸的计算：按全容积550m3的发酵罐进行计算，取高径比H：D=1.8：1［6］则有：得：，H=1.8D=12.4m；根据经验数据知封头高：上、下封头容积：V上=V下=πD3／24=42.97（m3）圆柱部分容积：V筒=0.785D3H=464.3（m3）验算全容积V'全：V'全=V筒+2V封=464.3+42.97×2=549.79≈550（m3）V全=V'全符合设计要求，可行。（4）冷却面积的计算为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质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［8］，即：。对谷氨酸发酵，每1m3发酵液在每1h传给冷却器的最大热量约为4.18×6000kJ/(m3·h)［8］。采用竖式列管换热器，取经验值K=4.18×500kJ/(m3·h·℃)［8］。平均温差Δtm［8］：32℃32℃20℃27℃125代入对公称容量500m3的发酵罐，每天装6罐，每罐实际装液量为换热面积Q——换热器的热负荷，kJ/hK——局部总传热系数，kJ/(m2·h·℃)F——换热面积，m2Δtm——平均温差，℃（5）搅拌器设计机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种形式，由于谷氨酸发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器[6]。该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系［5］:Di:di:L:B=20：15：5：4搅拌器叶径取d=2.3（m）叶宽：弧长：底距：盘径：叶弦长：叶距：弯叶板厚：δ=14（mm）取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，搅拌转速N1=110r/min。以等P0/V为基准[6]放大可求得：（6）搅拌轴功率的计算通风搅拌发酵罐淀粉水解糖液低浓度细菌醪可视为牛顿流体。①计算Rem［3］式中D——搅拌器直径，D=2.3mN——搅拌器转速，ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3μ——醪液粘度，μ=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［3］：式中Np——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7N——搅拌转速，N=65r/min=1.08r/sD——搅拌器直径，D=2.3mρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3代入上式：两挡搅拌，③计算通气时的轴功率Pg［3］式中P0——不通气时搅拌轴功率（kW），N——轴转速，N=65r/minD——搅拌叶轮直径（cm），D3=2.33×106=1.2×107cmQ——通风量（ml/min）设通风比VVm=0.11~0.18，取底限，通风量变大，Pg变小，为安全。现取0.11，则：Q=350×0.11×106=8.7×106（ml/min）代入上式，得：④求电机功率P电［3］：采用三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%［9］；代入公式数值得：（7）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φ219×6mm［5］。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［9］Ⅰ.最高热负荷下的耗水量W［5］：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=27℃t1——冷却水初温，t1=20℃将各值代入上式冷却水体积流量为8.59×10-2m3/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=8.59×10-2m3/sV——冷却水流速，v=1m/s代入上式：进水总管直径：Ⅱ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=40，求管径。由S总=n·0.785d02[2]：查金属材料表选取φ63×3.5mm无缝管［10］，，认为可满足要求，。现取竖式蛇管端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为：Ⅲ冷却管总长度L计算：由前知，冷却管总面积现取无缝钢管φ63×3.5mm，每米长冷却管冷却面积为：则:冷却管占有体积：Ⅳ每组管子圈数n0：现取管间距为：，竖式蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出与搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。Ⅵ.校核布置后冷却管的实际传热面积［5］：式中L实=L+40=2890（m2），其中40是接管，取得经验值。而前有F=541.35m2，，可满足要求。（8）设备材料的选择［5］选用A3钢制作，以降低设备费用。（9）发酵罐壁厚的计算①计算法确定发酵罐的壁厚S［5］（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=690cm〔σ〕——A3钢的应用应力，〔σ〕=127MPaφ——焊接缝隙，φ=0.7C——壁厚附加量（cm）式中C1——壁厚负偏差，通常为壁厚的10%～15%（mm），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19mm厚A3钢板制作。（10）支座选择对于75m3以上的发酵罐，由于设备总重量较大，应选用裙式支座，所以本设计选用裙式支座。㈡种子罐由试管斜面保藏的菌种挑取一接种环的纯种，繁殖成能够供大规模生产需用的数百以至数千升种子的数量，其中必须经过若干扩大培养阶段。一般的工艺流程为：试管斜面菌种→试管斜面活化培养→三角瓶摇床培养（一级种子）→种子罐培养（二级种子）[1]。Ⅰ二级种子罐（1）二级种子罐的选型二级种子罐选型同发酵罐，仍采用机械搅拌通风发酵罐。（2）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8%计算，则种子罐容积V种为：式中V全——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6罐，需二级种子罐6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6个已足够。③主要尺寸的确定二级种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。H：D=1.8：1，则种子罐总容积量V´总为：简化方程如下：解方程得:D=2.98m,H=1.8D=5.36（m）单个封头容量：圆筒容量：校核种子罐总容积V'总：比需要的种子罐容积44m3大，可满足设计要求。④冷却面积的计算采用夹套冷却Ⅰ发酵产生的总热量：Ⅱ夹套传热系数［5］：现取K=4.18×220kJ/（m2·h·℃）Ⅲ平均温差：发酵温度32℃；水初温20~23℃，取23℃；水终温27℃，则平均温差：Ⅳ需冷却面积F：⑤设备材料的选择采用A3钢制作⑥设备结构的工艺设计Ⅰ挡板：根据全挡板条件［6］，式中B——挡板宽度，B＝（0.1～0.12）D=（0.1～0.12）×2980=298～357.6mm在此B取298mmD——罐径D＝2980mmZ——挡板数：取Z＝6块Ⅱ搅拌器：二级种子罐仍采用六弯叶涡轮搅拌器，该搅拌器虽然没有标准化的规定，但有公认的比例尺寸：直径：Di＝0.3～0.35D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N1＝470r/min，搅拌器直径Di=112mm两挡搅拌。Ⅲ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。i计算Rem[8]式中D——搅拌器直径，D=1.043mN——搅拌器转速，ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3μ——醪液粘度，μ=1.3×10-3N·s/m2则：视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7ii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=106r/min=1.77r/sD——搅拌器直径，D=1.043mρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3代入上式，得：两挡搅拌iii计算通风时的轴功率Pg式中P0——不通风时搅拌轴功率（kW），kWN——轴转速，N=106r/minD——搅拌器直径（cm），D3=1.0433×106=1.14×106Q——通风量（ml/min），设通风比VVm=0.11～0.18，取底限，如通风量变大，Pg会变小，为安全，现取0.11；则Q=28.8×0.11×106=3.2×106（ml/min）代入上式：Ⅳ进出物料管该管为物料与通风共用，管底距罐底25～60mm之间，现取30mm向下单管。按输送物料算：20min送完28.8m3物料（即360.9×8%），则则物料流量为管道截面为F，物料流速为v=0.5～1m/s，现取v=1.0m/s，则：设管径为：查《生物工程工厂设计概论》，P271表12，无缝钢管(YB231-70)，管径采用194×6mm无缝管,内径194-2×6=182mm大于175mm，可满足生产要求。Ⅴ冷却水管：由前知需冷却热量，冷却水温变化23℃27℃，水比热容则耗水量W为：冷却水体积流量为3×10－3m3／s,取冷却水在竖直蛇管中的流速为v=1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积式中W—冷却水体积流量，W=3×10－3m3／sv—冷却水流速，v=1m/s代入上式：则冷却管直径为⑧支座选型选用支撑式支座Ⅱ一级种子罐⑴一级种子罐容积的确定 按接种量8%计算，则一级种子罐容积V种为：V种=44×8%=3.52m3式中44—需要的二级种子罐容积⑵主要尺寸的确定一级种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。H：D=1.8：1，则一级种子罐总容量V´总为：V´总=2V´封+V´筒简化方程如下：得：D=1.281m取D=1.29m，则H=1.8D=2.33（m）单个封头容量：圆筒容量：不计上封头容积，则有效容积为：校核一级种子罐总容积V´总：比需要的一级种子罐容积3.52m3大，可满足设计要求。⑶设备结构的工艺设计挡板：根据全挡板条件，式中B——挡板宽度，B＝（0.1～0.12）D=（0.1～0.12）×1290=129～154.8mm在此B取129mmD——罐径D＝1290mmZ——挡板数：取Z＝6块⑷搅拌器：一级种子罐仍采用六弯叶涡轮搅拌器，该搅拌器的比例尺寸：直径：Di＝0.3～0.35D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N1＝470r/min，搅拌器直径D1=112mm两挡搅拌。一级种子罐个数的确定：一级种子罐与二级种子罐对应上料。二级种子罐平均每天上5罐，需一级种子罐6个。种子罐培养8h，辅助操作时间8～10h，生产周期16～18h，因此，一级种子罐6个已足够，其中一个备用。2.3.2连续操作设备的计算和选型年产100000t味精的工厂，按前面的计算，发酵周期是48h（即2天），故1年内可以生产150批，选用500m3的发酵罐，装料按70％。发酵液中谷氨酸的含量和收率均按100%计算。㈠连消塔的计算和选型Ⅰ连消塔的选型连消塔的型式有喷孔型、螺旋型、汽液混合喷射型等，其中喷射型结构简单，使用简单方便可靠，一般工厂可自行加工制造，故本设计选用喷孔型。Ⅱ主要尺寸及接管的计算⑴灭菌时间的确定：根据经验数据，一般取10min，杀菌时间也不是越长越好，因为过长的杀菌时间会使营养破坏过多，因而培养基在连消塔中的停留时间应保持在10～30s之间，一般连消培养基流速取0.3～0.6m/s。⑵连消塔的长度：现取培养基流速v=0.6m／s，在连消塔内滞留时间t＝10s，则连消塔的长度为：⑶进汽管直径计算：查表知在此压力下的汽速范围为20～50m/s之间，取50m/s，则进汽管截面积为：进汽管直径：⑷进料管直径计算：进料体积流量:物料流速范围为:0.3～0.6m/s,取,则进料管截面积为：进料管直径：⑸出料管直径计算：出料管应将进料量加上蒸汽冷凝量，则出料量为:换算成体积流量为：取流速为0.6m/s,出料管截面积为:则出料管直径:⑹连消塔外圆尺寸计算:已知出料体积流量为195.6m3/h,物料在连消塔中移动速度取0.1m/s,则连消塔下面积为:又:式中D外──外筒内径D内──内筒外径，以上两式联立,则得:㈡维持罐的计算和选型⑴维持罐的选型维持设备有维持罐及维持管两种，利弊互见。管式对保证先进先出，防止滑漏是有利的，但阻力较大；罐式加工安装容易，但缺点式滞留﹑滑漏现象较多，现选用罐式。⑵数量和容积的确定ⅰ数量：与连消塔配套，故其规模取2个。ⅱ容积：根据前述灭菌时间，扣除在连消塔逗留的时间，即为在维持罐中的逗留时间，为，又维持罐填充系数取84％，则单个维持罐总容量：⑶设备主要尺寸的确定维持罐考虑返混问题，拟取H/D＝2.5～3，现取H＝3D。因设备有一定温度和压力，按受压容器设计，采用椭圆封头。解方程得，D＝2.46m，圆整后取2.5m，则H=3D=7.5m。查表知，封头容积为：V封＝2.56m3核算其总容量：大于V罐39m3，可满足要求。⑷接管计算进出料管直径应取与连消塔出料管相同尺寸，可保证生产顺利进行。㈢喷淋冷却装置将已被螺旋板冷却的糖液继续冷却到发酵罐接种温度，即从72℃降到32℃。此装置与连消塔、维持罐、配套使用，故选用两个。则单个喷淋冷却装置的冷却面积的计算如下：⑴冷却热负荷Q3⑵冷却面积如下计算喷淋冷却的总传热系数K一般取（300～500）×4.18，冷却面积比为6～8m2/（m3·h）现取K＝500×4.18kJ/（m2·h·℃），温差：将发酵罐排出的冷却水用于喷淋冷却，水温为28℃，设升至40℃，而糖液从72℃降至32℃。72──→3240←──28──────324（℃）则：合，与经验值吻合。设备采用国产钢管，可根据现有管材长度决定直管长度，不要接头，而弯头可用铸造法制U型弯头，也可用管材弯制。查有关经验数据，决定曲率半径R，防止弯曲后通道变小。在安装时为减少阻力、方便施工，应将直管保持水平，固定在架上，而让U型弯道呈倾斜状。2.3.3非专业设备的计算和选型非专业设备是指生产车间中除专业设备和通用设备之外的、用于与生产配套的贮罐、计量罐等设备。味精厂的非专业设备的设计包括尿素溶液贮罐、消尿素溶液罐、尿素溶液罐、尿素计量罐的设备设计。㈠设备容量的确定⑴尿素消耗量加尿素总量按发酵醪质量比4.0％计算，每天用尿素量为：⑵尿素溶液体积流加尿素溶液浓度为40％，重度为1100kg/m3，每天用尿素溶液体积为V:⑶需尿素溶液贮罐总容积为V总该尿素溶液贮罐填充系数为70％，则有：现将容积圆整到423m3。㈡各罐设计及几何尺寸的确定⑴尿素溶液贮罐的设计及几何尺寸的确定ⅰ尿素溶液贮罐容量V1每罐配制尿素溶液占全天使用量的1/2，则：，数量取2个。则每罐容积为：，圆整后得106m3ⅱ尺寸的计算尿素溶液贮罐兼有搅拌溶解作用，取平盖椭圆封底，为节省材料，取筒高H＝D，解方程得：圆整到推荐的系列值，取D＝5m，H＝5m。封头高度h1＝1000mm，直边高度h2＝50mm，封头容量V封＝10.37m3，校核其容积V实：V实＞V1，可满足要求。⑵消尿素罐（尿素溶液灭菌罐）的设计及几何尺寸的确定ⅰ消尿素罐容量V2每罐灭菌两次，则：圆整后得53m3，数量取2个。尿素溶液罐容量V3，为保证灭菌正常进行，保证连续生产，还应设尿素溶液罐2个，则：ⅱ尺寸的计算消尿素罐容量为53m3，实际装液量为37.5m3，为保证尿素溶液浓度改变不是太大，先采用夹套预热至沸点，然后通入直接蒸汽灭菌，此后再用夹套冷却到室温，为保证有足够的换热面积，取，则：整理后得：D＝3080mm，圆整后D＝3100mm，H＝6200mm⑶单个尿素缓存罐的设计此罐仅作为已灭菌并降温的尿素溶液暂贮罐。以上可知，该罐53m3，实际装液量为37.5m3，无搅拌及换热装置，现取H＝D，，则：解方程得：圆整到D＝3.8m，H＝3.8m，封头容量V封＝7.75m3。校核容积：，大于53.5m3，可满足要求。⑷尿素计量罐的设计及几何尺寸的确定ⅰ消尿素罐容量V计每次加尿素溶液的量为发酵液的0.6～0.8％，取0.65％。计量罐填充系数取＝0.4～0.7，糖液密度1.05t/m3，尿素溶液密度1.1t/m3，则尿素溶液重：合体积：尿素溶液计量罐的容量V计为：圆整到28m3，数量可取2个，则每个计量罐的容量V计为：，圆整到14m3。ⅱ尺寸的计算设＝3.5，则有：解方程得：，取D＝1.7m，则有：校核：，大于14m3，认为可满足要求。2.4味精厂发酵车间设备一览表表4100000t/a味精厂发酵车间设备一览表Table4100000t/aMonosodiumGlutamateFactoryFermentationListofWorkshopEquipment序号设备名称台数规格与型号材料备注1发酵罐12公称容积500m3A3钢专业设备2二级种子罐6公称容积44m3A3钢专业设备3一级种子罐6公称容积3.52m3A3钢专业设备4连消塔2A3钢专业设备接下表续表4序号设备名称台数规格与型号材料备注5维持罐2V=40m3A3钢专业设备6喷淋冷却器2F=1396m2A3钢专业设备7连消泵2通用标准机体铸铁通用设备8尿素溶液贮罐2V=106m3A3钢非专业设备贮存9消尿素罐2V=55m31Cr18Ni9Ti混合调量灭菌10尿素溶液罐2V=53m3A3钢非专业设备贮存11尿素计量罐2V=14m31Cr18Ni9Ti计量合计402.5车间设计布置原则㈠满足生产工艺的要求车间设备布置必须按流程的流向顺序依次进行设备的排列，以保证物料顺畅的向前输送，按顺序进行加工处理，保证水平方向和垂直方向的连续性。不使物料和产品有交叉和往复的运动。尽可能利用工艺位差、对于有位差的设备，应充分利用高位差布置，以节省动力设备及费用[3]。⑴满足生产操作的要求①每一个设备都要考虑一定德尔地位，包括设备本身所占地位，设备附属装置所占地位，操作地位，设备检修拆卸地位以及设备与设备、设备与建筑物间的安全距离等。②设备布置应考虑为操作工人能管理多台设备或多种设备创造条件。凡属相同的几套设备或同类型的设备或操作性质相似的有关设备，应尽可能集中布置，使之彼此靠近，以便统一管理，集中操作，方便维修及部件的互换。③设备布置不宜过挤或过松，宜尽量对称紧凑，排列整齐，充分利用空间。设备间的距离要充分考虑工厂操作的要求和交通的便。车间内要留有堆放原料、成品及排出物和包装材料的空地以及必要的运输通道。具有运动机械的设备，还要考虑设置安全防护装置的地位。④要考虑相同设备或相似设备互换使用的可能性和方便性。这样，可充分发挥设备的潜在力量。⑵满足设备安装、检修的要求①根据设备大小和结构，考虑设备安装、检修及拆卸所需要的空间和面积。②满足设备能顺利的进出车间的要求。经常搬动的设备应在设备附近设置大门或安装孔，大门宽度比最大设备宽0.5米，当设备进入厂房后，很少再需搬出时，则可设置安装洞，即在外墙留预留洞口，待设备运入后，再行砌封。③必须考虑设备的检修和拆卸以及运送物料所需要的起重运输设备。⑶满足厂房建筑的要求①设备布置时，要避开建筑的柱子及主梁。如设备吊装在柱子或梁上，其荷重及吊装方式需事先告知土建专业人员，并与其协商。②厂房内所有操作台必须统一考虑，避免平台支柱零乱重复，影响车间美观、生产操作及检修。③设备不应该布置在建筑物的沉降缝或伸缩缝处。④在厂房的大门或楼梯旁布置设备时，要求不影响开门和行人出入。⑤在不严重影响工艺流程顺序的原则下，将较高设备尽量集中布置，这样可以简化厂房体形，节约厂房体积，另外还可以利用建筑上的有利条件，如利用天窗的空间安装较高设备。2.6车间布置相关技术参数要求㈠建筑上的某些规定⑴门窗①门：为了正确地组织人流、车间运输和设备进出以及保证车间的安全疏散，在厂房设计中要布置好出入口，厂房的安全出入口一般不能少于2个。②窗：工业厂房常用钢窗或塑料窗，目前我国所用的钢窗规格是按照厂房结构统一模数制的基本规定设计的，且可由基本窗组合成各种窗口类型。⑵楼梯布置在建筑物的出入口附近，对于大型厂房应布置2个楼梯，根据使用情况，分主楼梯、辅助楼梯和消防楼梯。主楼梯布置于人流集中的厂房附近；辅助楼梯位于厂房两侧。主楼梯宽度一般为1500-1650mm，坡度为30℃.辅助楼梯宽度为1000-1200mm，坡度为45℃。楼梯形式有：单跑、双跑、三跑及双分、双合式楼梯。㈡设备的安全距离设备之间或设备与墙之间的净间距大小，无统一规定，设计者应根据设备大小，车间布置要求，设备上连接管线多少，管径粗细，检修的频繁程度等各种因素，再根据生产经验，决定安全间距。设备布置时可参照下表[5]。表5设备的安全距离Table5ASafeDistancefromTheEquipment序号项目净安全距离/m1泵与泵的距离不小于0.72泵离墙的距离至少1.23泵列与泵列的距离（双排泵间）不小于2.0接下表续表5序号项目净安全距离/m4计量罐与计量罐的距离0.4—0.65贮罐与贮槽间的距离0.4—0.66换热器与换热器间距离至少1.07塔与塔的距离1.0—2.08离心周围通道不小于1.59过滤机周围通道1.0—1.810反应罐盖上传动装置离天花板距离（如搅拌轴拆装有困难时，距离还需加大）不小于0.811反应罐底部与人行通道距离不小于1.8—2.012反应罐卸料口至离心机的距离不小于1.0—1.513起吊物品与设备最高点距离不小于0.414往复运动机械的运动部件离墙距离不小于1.515回转机械离墙距离不小于0.8—1.016回转机械互相间距不小于0.8—1.217控制室、开关室与炉子之间距离1518产生可燃性气体德尔设备和炉子间距离不小于8.019工艺设备和通道间距离不小于1.0（3）通道是指车间内人、货物的通行之道。通道的布置与设备布置同样重要，是车间布置设计的重要内容。通道的要求参照下表。表6通道的宽度与净空高度Table6ChannelWidthAndHeadroom项目尺寸/m人行道、狭窄通道、楼梯、人孔周围的宽度0.75走道、楼梯、操作台、管架的净空高度2.2—2.5不常通行的地方，净空高度不小于1.9主要检修道，厂房间道路宽6—7，净空4.2—4.8次要道路宽4.8，净空3.3车间主要通道宽2.4，净空2.7平台到水平人孔0.6—1.5管束楼出距离管束长+（0.6—0.9）操作台梯子的斜度一般情况不大于45°特殊情况60°2.7设备布置说明设备布置：根据前面的工艺计算，为了使发酵条件优化，同时考虑到经济因素，因此对车间的布置如下［3］：（1）发酵罐的布置：因本地区夏天的风向以西南风为主冬天以北风为主，冬天温度较低，空气中的杂菌相对较少，因此将发酵罐置于车间的西南方向，6个发酵罐呈两条线排列，罐与罐之间的距离为2m，罐底离地为1m，罐顶人孔离楼面800mm。（2）尿素计量罐的布置：因为发酵罐是从顶部进料，又因为计量罐的高度所限，故将其置于二楼和三楼之间，距离发酵罐较近，可以节省能量，对计量泵的要求相对会低一些。（3）消尿素罐的布置：消尿罐置于二楼和三楼之间，一是因为其高度的限制，再一个就是便于物料的流动。（4）尿素溶液贮罐的布置于三楼，是为了便于物料向发酵罐中运送，节省部分能量，同时也是为了方便尿素的加入和配制。（5）维持罐的布置：平衡罐置于一楼和二楼之间，距离一楼地面为1m，是因为其高度的限制。（6）连消塔的布置：连消塔置于二楼，是考虑到物料的流动。高温蒸汽从二楼通入连消塔内。（7）