年產(chǎn)5.3萬噸一水檸檬酸工廠種子罐的設(shè)計(jì)--生物化學(xué)工程課程設(shè)計(jì).doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 * 生物化學(xué)工程課程設(shè)計(jì) *課題名稱： 年產(chǎn)5.3萬噸一水檸檬酸工廠種子罐的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 生物工程 班 級(jí)： 成 績： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 環(huán)境與生物工程學(xué)院目錄摘 要1Abstract21 前言31.1 檸檬酸的性質(zhì)和用途31.2檸檬酸的來源和發(fā)展情況32 生產(chǎn)工藝42.1生產(chǎn)方法42.2工藝流程42.3操作工藝52.3.1 原料的處理52.3.2 發(fā)酵工序52.3.3 醪液處理工序62.3.4 提取工段62.3.5 精制工段63 工藝計(jì)算書73.1物料衡算73.1.1工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)73.1.2原料消耗計(jì)算（基準(zhǔn)：一噸成品檸檬酸）73.1.3發(fā)酵醪量的計(jì)算83.1.4 接種量83.1.5 液化醪量計(jì)算83.1.6 成品檸檬酸83.1.7淀粉質(zhì)原料年產(chǎn)1.4萬噸一水檸檬酸廠總物料衡算93.2熱量衡算93.2.1液化熱平衡計(jì)算93.2.2發(fā)酵過程中的蒸汽耗量的計(jì)算103.2.3發(fā)酵過程中的冷卻水耗量計(jì)算113.2.4發(fā)酵過程中的無菌空氣耗用量的計(jì)算123.3發(fā)酵罐的選型123.3.1發(fā)酵罐容積和臺(tái)數(shù)的確定133.3.2主要尺寸的計(jì)算143.3.3發(fā)酵罐冷卻面積的計(jì)算143.3.4發(fā)酵罐攪拌器的設(shè)計(jì)153.3.5發(fā)酵罐設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)163.3.6發(fā)酵罐設(shè)備材料的選擇183.3.7發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算183.3.8發(fā)酵罐接管設(shè)計(jì)193.3.9發(fā)酵罐支座的選擇203.4貯罐選型203.4.1發(fā)酵成熟醪貯罐203.4.2硫酸銨貯罐20結(jié)論：21參考文獻(xiàn)22謝 辭23此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流年產(chǎn)1.4萬噸一水檸檬酸工廠種子罐的設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)采用薯干原料發(fā)酵，只需將薯干磨成粉，加水調(diào)漿，直接加入少量淀粉酶液化后滅菌、冷卻即可接種發(fā)酵。制備檸檬酸一般采用曬干的薯干作為原料。其中薯干含水10%-15%、淀粉70%左右、蛋白質(zhì)6%左右。薯干原料中的蛋白質(zhì)可作為氮源供菌體生長。薯干原料中含有鐵、鎂、鉀、鈣等的無機(jī)鹽，選用的黑曲霉C0527對這些成分不敏感,故不必對原料做這方面的預(yù)處理。本設(shè)計(jì)采用液體深層好氧發(fā)酵、鈣鹽法提取技術(shù)生產(chǎn)檸檬酸。這兩種方法都是國內(nèi)比較流行的生產(chǎn)方法，有著大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，易于操作，風(fēng)險(xiǎn)小。由于本設(shè)計(jì)為種子罐的工藝計(jì)算、設(shè)備選型。通過全廠物料衡算、車間熱量衡算，確定種子罐的設(shè)計(jì)和選型。本設(shè)計(jì)還包括種子罐圖，工藝流程圖。關(guān)鍵詞：薯干 ；深層好氧發(fā)酵 ；黑曲霉 ；檸檬酸； 設(shè)備設(shè)計(jì)和選型AbstractThis design uses fermentation of dry raw materials, just dry powder, add water and slurry, directly into the small amounts of -amylase liquefaction after sterilization, cooling can be inoculated fermentation. Preparation of citric acid generally use dried dried potatoes as raw material. Dry water 10%-15% around 70%, starch, proteins around 6%. Proteins in the dry raw materials can be used as nitrogen source for bacterial growth. Dry raw materials containing inorganic salts such as iron, magnesium, potassium, calcium, selection of Aspergillus Niger C0527 insensitive to these ingredients, so no pretreatment of the raw materials to do it. This design uses submerged aerobic fermentation of citric acid, calcium salt extraction technology to produce. Both of these methods are more popular in China, have significant practical experience, easy to operate, risk. Because of this design for process calculation of seeding tank, device selection. Through the whole material balance, plant heat balance, determine the design and selection of seed tank. This design also includes seeding tank, flow chart. Key words: dry; deep aerobic fermentation;Aspergillus ;citric acid ;equipment design and selection.1 前言1.1 檸檬酸的性質(zhì)和用途檸檬酸（citric acid），學(xué)名為2-羥基-丙烷三羧酸，結(jié)構(gòu)為 分子量：192.14 ，是一種重要的有機(jī)酸。無色晶體，常含一分子結(jié)晶水，無臭，有很強(qiáng)的酸味，易溶于水。其鈣鹽在冷水中比熱水中易溶解，此性質(zhì)常用來鑒定和分離檸檬酸。結(jié)晶時(shí)控制適宜的溫度可獲得無水檸檬酸。檸檬酸在自然界分布很廣，主要存在于檸檬、柑橘、菠蘿等。檸檬酸具有宜人風(fēng)味、高的水溶性和強(qiáng)的金屬螯合力，長期以來占據(jù)食用酸味劑70%左右的市場份額，除可口可樂和純果汁以外，幾乎所有的飲料（包括固體和液體）都使用檸檬酸作為酸味劑，通常的添加量為0.25%-0.4%（m/m）。檸檬酸在化學(xué)技術(shù)上可作化學(xué)分析用試劑，用作實(shí)驗(yàn)試劑、色譜分析試劑及生化試劑；用作絡(luò)合劑，掩蔽劑；用以配制緩沖溶液。此外，食品加工和奶制品也添加檸檬酸或檸檬酸鹽。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，使用檸檬酸的食品或藥品（如化學(xué)藥的枸櫞酸鹽）約有上千種之多。檸檬酸除用于食品和醫(yī)藥工業(yè)外，最大的用途是代替三聚磷酸鈉作為洗滌劑的助洗劑，20世紀(jì)90年代初，國外還有人發(fā)現(xiàn)檸檬酸加入混凝土中可作為一種“減水劑”，并能提高混凝土的凝固強(qiáng)度?？梢哉J(rèn)為，檸檬酸早已成為現(xiàn)代食品、醫(yī)藥業(yè)、日化行業(yè)及其他工業(yè)的通用原料1。1.2檸檬酸的來源和發(fā)展情況1784年瑞典科學(xué)家Scheele首次從檸檬汁中結(jié)晶出固體檸檬酸。1860年意大利開始用添加石灰乳的方法從果汁中得到檸檬酸，從而進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)。直到20世紀(jì)初，檸檬酸主要是從檸檬中提取產(chǎn)量很低，主要應(yīng)用于食品工業(yè)和洗滌劑，主要產(chǎn)地以意大利的西西里島為主。1893年德國微生物學(xué)者Wehmer發(fā)現(xiàn)一種青霉能夠積累檸檬酸，但未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。1917年，美國學(xué)者Currie發(fā)現(xiàn)了一株產(chǎn)檸檬酸的黑曲霉，并通過美國的Pfizer(輝瑞)公司于1923年采用淺盤發(fā)酵實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，原料主要是糖蜜。1952年，美國的Miles公司首先成功地采用液體深層發(fā)酵工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)檸檬酸。由于這種新工藝比傳統(tǒng)的淺盤工藝有更多的優(yōu)越性，因而推動(dòng)了世界檸檬酸工業(yè)的迅速發(fā)展，深層發(fā)酵法也成為檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)的主要工藝。到2000年，全球檸檬酸的年生產(chǎn)能力在90萬噸以上，并一直保持比較平穩(wěn)的發(fā)展速度2。我國檸檬酸發(fā)酵工業(yè)在1949年以前是個(gè)空白。1969年上海酵母廠成功利用薯干粉深層發(fā)酵檸檬酸。在20世紀(jì)80年代，由于出口的需要，我國的檸檬酸生產(chǎn)發(fā)展速度，已成為世界上檸檬酸生產(chǎn)量最大的國家。全國有近90家檸檬酸生產(chǎn)企業(yè)，年生產(chǎn)能力達(dá)近50萬噸，占世界總量的40%多。2002年全國產(chǎn)量30多萬噸，2003年達(dá)40余萬噸。我國開發(fā)的以白薯干為原料的產(chǎn)酸菌種具有其獨(dú)到的特點(diǎn)，加之我國的許多地區(qū)對生產(chǎn)過程中排放的廢水要求較低，多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水沒能進(jìn)行比較有效的處理，因此，我國檸檬酸生產(chǎn)成本較低，在國際市場上具有較強(qiáng)的競爭力。近年來我國的檬酸的年出口量一直保持在10萬噸以上3。2 生產(chǎn)工藝2.1生產(chǎn)方法 本次生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)以薯干為原料，采用直接粉碎、調(diào)漿、液化，進(jìn)行好氣液體深層發(fā)酵，鈣鹽法提取，最后結(jié)晶、干燥得到檸檬酸。 2.2工藝流程本次生產(chǎn)工藝的基本過程是：在接收糖漿后，根據(jù)糖漿組成作適當(dāng)?shù)奶幚砘蚺渲疲涑砂l(fā)酵原料，進(jìn)行連續(xù)殺菌并冷卻后，進(jìn)入發(fā)酵罐，加入菌種和凈化壓縮空氣后進(jìn)行發(fā)酵；發(fā)酵液經(jīng)升溫、過濾處理后，進(jìn)入中和罐，用CaCO3中和處理；再經(jīng)過過濾洗滌，得到檸檬酸鈣固體，送入酸解罐，再添加H2SO4酸解，并加入活性炭進(jìn)行脫色；然后，通過帶式過濾機(jī)過濾、酸解過濾，除去CaSO4及廢炭；酸解過濾液經(jīng)離子交換處理后，進(jìn)行蒸發(fā)、濃縮，再進(jìn)行結(jié)晶；結(jié)晶后，用離心機(jī)進(jìn)行固液分離，對得到的濕檸檬酸晶體進(jìn)行干燥與篩選，最后得到成品的檸檬酸。成品的檸檬酸。淀粉糖凈化空氣菌種種子發(fā)酵消泡劑過濾廢渣處理中和鈣鹽干燥濕檸檬酸純水分離次品回溶蒸發(fā)結(jié)品過濾廢渣處理酸解酸液活性炭酸解液離子交換處理滅菌配料篩選圖1-1 檸檬酸生產(chǎn)工藝流程示意圖2.3操作工藝2.3.1 原料的處理 根據(jù)發(fā)酵的要求，對薯干原料，采用直接粉碎、磨粉、調(diào)漿、液化、連續(xù)滅菌的處理方法；以薯干原料生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)我國薯干粗料的特征，發(fā)酵工藝要求將薯干從平倉運(yùn)至備料車間，經(jīng)過磁選裝置除去原料中含鐵雜質(zhì)，以保護(hù)設(shè)備。然后進(jìn)入粗粉碎機(jī)，將薯干先軋成13cm 大小的小塊，以提高磨粉機(jī)的效率，便于物料的輸送。粗碎后，由斗式提升機(jī)提送至中間粉倉，由粉倉落入磨粉機(jī)粉碎，粉碎后進(jìn)入粉倉再經(jīng)計(jì)量送至配料罐。配料罐內(nèi)加水調(diào)漿，同時(shí)加入淀粉酶升溫液化。液化完成后送至連消裝置連續(xù)滅菌，再送至發(fā)酵車間4。2.3.2 發(fā)酵工序 由備料車間提供的經(jīng)連續(xù)滅菌并冷卻的料液，通過滅菌管道泵入已空消滅菌待料的發(fā)酵罐(或種子罐)，通過差壓法或零磅火焰倒種法，接入已培養(yǎng)好的檸檬酸菌種，在通風(fēng)、攪拌情況下，進(jìn)行發(fā)酵或培養(yǎng)。在發(fā)酵培養(yǎng)過程中，對罐溫、罐壓、通風(fēng)量、攪拌轉(zhuǎn)速等實(shí)行連續(xù)記錄監(jiān)控，并定期檢測原糖消耗情況、菌種生長狀態(tài)、pH值、泡沫等變化情況。根據(jù)發(fā)酵的工藝特性要求，及時(shí)調(diào)整控制發(fā)酵工藝過程，以獲得最佳工藝產(chǎn)酸率或種罐菌種活力，一般經(jīng)66小時(shí)(種罐約25小時(shí)) 培養(yǎng)，大罐在殘?zhí)侵笜?biāo)、產(chǎn)酸情況達(dá)到放罐條件即可放罐；種罐菌種活力及菌群數(shù)量達(dá)標(biāo)后，即可移種。在發(fā)酵或培種過程的定期檢測中，若發(fā)現(xiàn)異常情況，如染菌等，應(yīng)針對具體情況及時(shí)處理，對中、前期染菌，可加大種量形成主菌群生長優(yōu)勢，或及時(shí)罐實(shí)消，補(bǔ)入適當(dāng)營養(yǎng)源重新接種發(fā)酵；后期時(shí)可加強(qiáng)監(jiān)控，提前放罐；對倒罐等應(yīng)予滅菌排放處理，并認(rèn)真查找原因，進(jìn)一步強(qiáng)化滅菌操作中的各個(gè)環(huán)節(jié)5。 2.3.3 醪液處理工序 檸檬酸發(fā)酵完成后，應(yīng)即時(shí)進(jìn)行熱處理，以滅活發(fā)酵，絮凝蛋白、提高收率，為提高設(shè)備利用率，增設(shè)醪液貯罐，通過熱交換器，及時(shí)將醪液加熱至80后進(jìn)入醪液熱貯罐，再經(jīng)泵壓入過濾機(jī)，除掉固形物及菌體殘?jiān)?，將清醪液泵入下道工?。2.3.4 提取工段 由壓濾工段送來的檸檬酸清醪液泵入中和罐，在80下進(jìn)行中和。碳酸鈣經(jīng)密閉的輸送機(jī)送入車間，經(jīng)無級(jí)調(diào)速下料螺旋分散投入中和罐，以防止局部濃度過高，使中和沉淀反應(yīng)均勻，經(jīng)終點(diǎn)檢測合格后，將檸檬酸鈣懸浮液排入帶式過濾機(jī)中，將固體檸檬酸鈣從懸浮液中分離出來，為滿足玉米原料及薯干原料生產(chǎn)工藝的雙重要求，中和帶式過濾機(jī)用特定的加長、強(qiáng)洗型，生產(chǎn)原料操作靈活，以確保粗原料生產(chǎn)時(shí)的中和洗糖要求及成品的指標(biāo)控制，要求并使中和廢水經(jīng)分流至污水處理站。分離后的檸檬酸鈣經(jīng)卸料螺旋送至酸解桶中，由熱水或酸解液調(diào)漿，濃硫酸由酸堿站泵入，再計(jì)量到酸堿桶中與檸檬酸鈣在80下生成硫酸鈣與檸檬酸的懸濁液送入酸解帶式過濾機(jī)進(jìn)行過濾，清洗液即稀酸解液收集用于調(diào)漿，硫酸鈣運(yùn)至渣場綜合利用，檸檬酸酸解送精制工段8。 2.3.5 精制工段 離子交換與脫色 檸檬酸液從暫貯灌中泵送離交純化工序，經(jīng)由陽離于交換塔，陰離子交換塔和活性炭脫色塔，離交脫色除去色澤及影響成品質(zhì)量加速設(shè)備腐蝕的陰陽離子，陰陽樹脂需經(jīng)過酸洗、堿洗再生處理，離交后的檸檬酸精制母液送入蒸發(fā)工序9。蒸發(fā)與結(jié)晶 在提純?nèi)芤哼M(jìn)入蒸發(fā)部分前，通過精過濾器除去清液中的微小樹脂顆粒。精濾后的溶液經(jīng)熱交換器預(yù)熱后送至雙效真空濃縮器經(jīng)濃縮至特定濃度后，轉(zhuǎn)入真空結(jié)晶器，或者低溫結(jié)晶器進(jìn)行結(jié)晶。以確定產(chǎn)品(一水產(chǎn)品或無水產(chǎn)品)，再經(jīng)分離將檸檬酸晶粒從液相中分離出來，液相(母液)在分離后分別放至各級(jí)母液貯罐，根據(jù)其雜質(zhì)離交濃度情況，送往重新蒸發(fā)式回流到前工序處理提純，晶體送往干燥機(jī)10。干燥與包裝 從離心機(jī)分離出來的濕檸檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根據(jù)生產(chǎn)品種控制干燥空氣、溫度及冷卻空氣量進(jìn)行干燥，排空經(jīng)濕式旋風(fēng)分離器處理排放，干燥后的檸檬酸晶粒通過傳送裝置運(yùn)到篩選機(jī)，不合格顆粒被篩分出來，溶解后返回到結(jié)晶系統(tǒng)，檸檬酸成品進(jìn)行定量、包裝，存放11。3 工藝計(jì)算書3.1物料衡算3.1.1工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（1）生產(chǎn)規(guī)模：53000t/a99.5%一水檸檬酸折合成48561.48t/a99.5%無水檸檬酸；（2）生產(chǎn)方法：外加耐高溫-淀粉酶液化，深層液體發(fā)酵，鈣鹽干法提??；（3）生產(chǎn)天數(shù)：每年300天；（4）食用99.5%無水檸檬酸日產(chǎn)量：48561.48300=161.87t，取整數(shù)為162t；（5）食用99.5%無水檸檬酸年產(chǎn)量：162300=48600t；（6）產(chǎn)品質(zhì)量：國際食用檸檬酸99.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），實(shí)際產(chǎn)率98%，副產(chǎn)品約占2%；（7）薯干粉成分：含淀粉量 70%，水分13%；（8）-淀粉酶用量：8U/g原料；（9）操作參數(shù)：淀粉糖轉(zhuǎn)化率98.5%，糖酸轉(zhuǎn)化率95%，提取階段分離收率95%，精制階段收率98%，倒罐率1%則其得率為；產(chǎn)酸率（即糖發(fā)酵液轉(zhuǎn)化率）13%；發(fā)酵周期75h，發(fā)酵溫度（351），發(fā)酵通風(fēng)量10V/(V發(fā)酵液.h)。3.1.2原料消耗計(jì)算（基準(zhǔn)：一噸成品檸檬酸）年產(chǎn)1.4萬噸一水檸檬酸，折合無水檸檬酸，按1995年5月，中國發(fā)酵工業(yè)協(xié)會(huì)檸檬酸分會(huì)制定的“檸檬酸行業(yè)統(tǒng)計(jì)辦法”：無水檸檬酸需要量為：530001.09375=48561.48t/a（1）生產(chǎn)無水檸檬酸的總化學(xué)反應(yīng)式：162 192 X 1000（2）生產(chǎn)1000kg99.5%無水檸檬酸所需的理論淀粉消耗量：X=1000（162192）99.5%=839.53 kg（3）生產(chǎn)1000kg99.5%無水檸檬酸所需實(shí)際淀粉消耗量：X(98.5%95%95%98%99%)=973.40kg（4）生產(chǎn)1000kg99.5%無水檸檬酸所需實(shí)際薯干粉原料消耗量：973.470%=1390.57kg（5）-淀粉酶的消耗量：應(yīng)用酶活力為20000u/g的-淀粉酶使淀粉液化。-淀粉酶用量按8u/g原料計(jì)算；有：1390.57103820000=0.557kg3.1.3發(fā)酵醪量的計(jì)算根據(jù)發(fā)酵液轉(zhuǎn)化率為13%：3.1.4 接種量接種量為發(fā)酵醪的10%，則：8221.10310%100%=747.373 kg3.1.5 液化醪量計(jì)算因?yàn)槌墒煺糁篚矠椋?221.103-747.373-0.56=7473.17kg則調(diào)漿濃度為：1390.57100%7473.17=18.6%粉漿的干物質(zhì)濃度為：973.4100%7473.17=13.03%蒸煮直接蒸汽加熱,采用連續(xù)液化工藝:操作流程:(1) 混合后粉漿溫度為50，應(yīng)用噴射液化器迅速使粉漿升溫至100。升溫后進(jìn)入維持罐，使料液保溫2030min以完成液化，進(jìn)蒸汽壓力保持在0.30.4MPa表壓。(2) 液化完成的醪液由板式換熱器降溫至35+1備用。(3) 調(diào)漿及液化滅菌時(shí)產(chǎn)生的泡沫可用少量泡敵消泡。工藝計(jì)算:干物質(zhì)含量B0=70%的薯干原料比熱容為: 粉漿的干物質(zhì)濃度為B1=12.54%液化醪的比熱容為：C1=B1C0+(1.0- B1)Cw =12.54%2.1318+(1.0-13.03%)4.18 =3.913kJ/(kgK)Cw-水的比熱容取4.18kJ/(kgK)為簡化計(jì)算，定液化醪的比熱容在整個(gè)過程中維持不變.(1) 經(jīng)噴射液化器前的液化醪量為X:X+X3.913(100-50)(2731.2-1004.18)=6889.4(kg) 解得X=6889.4（kg） 其中2731.2-噴射液化器加熱蒸汽0.3MPa的焓3.1.6 成品檸檬酸日產(chǎn)檸檬酸量為：53000300=161.87t/d即結(jié)晶液中檸檬酸的含量為：162t/d需精制液中檸檬酸含量為：16298%=165.3061t/d需分離液中檸檬酸的含量為：162（95%98%）=174.0064t/d3.1.7淀粉質(zhì)原料年產(chǎn)1.4萬噸一水檸檬酸廠總物料衡算即對生產(chǎn)48561.48t/a99.5%無水檸檬酸的薯干原料檸檬酸廠進(jìn)行計(jì)算。（1）檸檬酸成品日產(chǎn)食用99.5% 無水檸檬酸量為161.87t，取整數(shù)為162t日產(chǎn)副產(chǎn)品為：1622%98%=3.31t則日產(chǎn)總量為：162+3.31=165.31t實(shí)際年產(chǎn)量為：食用檸檬酸量為：162300=48600t/a 副產(chǎn)物為：3.31300=993 t/a 總產(chǎn)量為：49593 t/a（2）主要原料薯干用量 日耗量：1390.57103161.8776=229.876t 年耗量：229.876300=68962.79t（3）根據(jù)以上計(jì)算，將物料衡算結(jié)果列于表3-1。表3- 14000t/a料檸檬酸廠物料衡算表物料名稱每噸產(chǎn)品耗物量（kg）年產(chǎn)1.4萬噸耗物量每天（t/d） 每年(t/a)食用檸檬酸98016248600副產(chǎn)品203.31993薯干原料1390.57229.8868962.79淀粉973.4160.9148273.95-淀粉酶0.560.0927.59發(fā)酵醪8304.141359.00407699.60接種量830.41123.5537063.60成熟蒸煮醪7473.171235.36370608.40 薯干漿量6894.71139341700.103.2熱量衡算3.2.1液化熱平衡計(jì)算噴射加熱器耗熱噴射加熱初溫t1=50加熱后t2=100醪液的比熱容為C1 =3.92kJ/(kg)由工藝可知:經(jīng)過噴射加熱器溫度由t1=50升溫至t2=100Q= C1G醪液(100-50) =3.926889.4(100-50)=1350322kJ3.2.2發(fā)酵過程中的蒸汽耗量的計(jì)算（1）蒸汽用量的計(jì)算公式整個(gè)生產(chǎn)過程采用蒸汽加熱，蒸汽耗用量計(jì)算公式為：式中：為蒸汽的熱效率，?。籌汽化潛熱。（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在28下，查得淀粉的比熱容為 1.55 kJ/(kg)； 水的比熱容為4.174kJ/(kg)； 加熱蒸汽的熱焓為2549.5 kJ/(kg)； 加熱蒸汽的冷凝水的熱焓為1250.60 kJ/(kg)由前面的計(jì)算可知，日耗薯干粉量為229.876t/d 日耗淀粉量為160.92/d 日耗薯干漿量為1235.362t/d則日耗調(diào)漿用水量為：1235.362-229.876=1005.486 t/d日耗淀粉漿量為：161.87+1005.486=1166.406t/d淀粉漿中含水量為：（1005.4861166.406）100%=96.204%淀粉濃度為：（161.871166.406）100%=13.80%由此可算得淀粉漿的比熱容為： C=C淀粉X+C水Y=1.5513.8%+4.17486.204%=3.816式中：X淀粉濃度，13.8%Y水濃度，86.204%（3）生產(chǎn)過程中蒸汽耗量的計(jì)算培養(yǎng)基滅菌及管道滅菌：培養(yǎng)基采取連消塔連續(xù)滅菌，進(jìn)塔溫90，滅菌130則滅菌用蒸汽量：每罐的初始體積為180 m3，初糖濃度是13g/100ml，滅菌前培養(yǎng)基含糖量19%。其數(shù)量為：18013%19%=123.16t滅菌加熱過程中用0.3MPa，蒸汽（表壓）I=2725.3kJ/kg，由維持罐（90），進(jìn)入連消塔加熱至130，糖液比熱容3.69。每罐滅菌時(shí)間3h，輸料流量123.163=41.05 t/h，消毒滅菌用蒸汽量：D=41.053.69(130-90)(2725.3-1304.18) =2.78t/h；每天培養(yǎng)基滅菌用蒸汽量：2.7832=33.31t/d；所有用罐空罐滅菌及相關(guān)管道滅菌用蒸汽量，據(jù)經(jīng)驗(yàn)取培養(yǎng)基滅菌用蒸汽量的10%，則：D1=33.3110%=3.33t/d。 加熱發(fā)酵醪所用的蒸汽量D6：檸檬酸水溶液的比熱容可按下式近似計(jì)算：C=(0.99-0.66+0.0010t) 4.19式中：0.99比熱容kJ/kg 檸檬酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，=（174.00641358.999）100%=12.8% t 溫度，代入上式，得：C=（0.99-0.6612.20%+0.001035）4.19=3.94那么由此可得D6為：D6=GC(t1-t2)/(I-)=1358.9993.94（85-35）（2549.5-1250.60）95% =58754.39t/a（4）將發(fā)酵段蒸汽衡算列于表3-2。表3-2 發(fā)酵車間蒸汽衡算生產(chǎn)工序日用蒸汽量(t/d)平均蒸汽用量(t/h)年用蒸汽量（t/a）培養(yǎng)基滅菌33.311.399994.01加熱發(fā)酵醪111.234.6333367.68空罐滅菌3.330.14999.40合計(jì)147.876.1644361.093.2.3發(fā)酵過程中的冷卻水耗量計(jì)算已知發(fā)酵過程中的發(fā)酵熱為25080kJ/mh，400 m3的發(fā)酵罐一般裝料量為360 m3（填充系數(shù)為0.9），則 =166153.8462kg/h=3987.692t/d=1196308t/a已知25 m3的種子罐（填充系數(shù)0.7），裝料量為17.5 m3W種子=4.18600017.54.18(28-15)=8077kg/h=193.85t/d=58155t/d將發(fā)酵段水衡算列入表3-3。表3-3 發(fā)酵車間冷卻水衡算表生產(chǎn)工序平均耗水量(t/h)日耗水量(t/d)年耗水量(t/a)發(fā)酵罐用水166.1543987.6921196307.69種子罐用水8.077193.84658153.85合計(jì)174.2314181.5381254461.543.2.4發(fā)酵過程中的無菌空氣耗用量的計(jì)算（1）單罐發(fā)酵罐用無菌空氣量：根據(jù)無菌空氣用量的計(jì)算公式：V=發(fā)酵罐體積通氣速率填充系數(shù)已知：發(fā)酵罐體積為400 m3 通氣速率為0.18vvm填充系數(shù)為60%則：V=4000.1860%=43.2m3/h（2）單個(gè)種子罐用無菌空氣量：取種子罐的空氣消耗量為發(fā)酵過程空氣耗量的25%,則: V=25%V=25%43.2=10.8 m3/h（3）將發(fā)酵車間蒸汽衡算列入表3.4。表3-4 發(fā)酵車間無菌空氣用量衡算表設(shè)備 名稱單罐每小時(shí)用氣量(m3/h)單罐每日用氣量(m3/d)每罐每年用氣量(m3/a)年總用氣量m3/a發(fā)酵罐43.21036.83110403421440種子罐10.8259.277760855360總用量54129638880042768003.3發(fā)酵罐的選型當(dāng)前，我國檸檬酸發(fā)酵占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍是機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，即通常所說的通用罐。選用這種發(fā)酵罐的原因主要是：歷史悠久，資料齊全，在比擬放大方面積累了較豐富的成功經(jīng)驗(yàn)，成功率高。此外在檸檬酸發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備方面，大型氣升式發(fā)酵罐仍處于試用攻關(guān)階段。從試用情況看，由于氣升式罐在生產(chǎn)周期、產(chǎn)酸率、供氧周期波動(dòng)的影響、通風(fēng)量增加的綜合能耗、生產(chǎn)的穩(wěn)定性及可重復(fù)性等因素，所以多數(shù)廠家目前仍延用機(jī)械攪拌通風(fēng)式發(fā)酵罐。因而，就本項(xiàng)目而言，按技術(shù)成熟，可靠、穩(wěn)妥的原則，結(jié)合檸檬酸工程中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過對罐內(nèi)空氣分配器進(jìn)行適當(dāng)改造，成為新型的通風(fēng)式機(jī)械攪拌型發(fā)酵罐。其攪拌功率，比相同容積的通用發(fā)酵罐降低約10%。從生物發(fā)酵行業(yè)醪液處理供料的均衡性考慮，發(fā)酵放罐間隔時(shí)間不宜大于8小時(shí)，在技術(shù)可靠的前提下，大罐放料容積不大于400 m3。結(jié)合目前本行業(yè)發(fā)酵技術(shù)的現(xiàn)狀，目前國內(nèi)行業(yè)成熟技術(shù)水平、加工技術(shù)水平，企業(yè)可能達(dá)到的發(fā)酵控制管理水平等，從生產(chǎn)的可靠性、可實(shí)施性等方面考慮，本設(shè)計(jì)擬采用放罐容積約200 m3 的新型通風(fēng)發(fā)酵罐。 現(xiàn)以此類發(fā)酵罐進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。3.3.1發(fā)酵罐容積和臺(tái)數(shù)的確定（1）發(fā)酵初糖濃度：由前面的計(jì)算可知，發(fā)酵液中檸檬酸的含量為174.006 t/d，則根據(jù)： 180 192可計(jì)算出葡萄糖量為：174.006180192=163.13 t/d則發(fā)酵初糖濃度為：163.13100%1358.9985=12% （2）生產(chǎn)能力的計(jì)算：現(xiàn)每天產(chǎn)99.5%純度的檸檬酸162t，檸檬酸發(fā)酵周期為75h（包括發(fā)酵罐清洗、滅菌、進(jìn)出物料等輔助操作時(shí)間）。則每天需糖液體積為V糖。 每天產(chǎn)純度為99.5%的檸檬酸162t，每噸100%的檸檬酸需糖液7.58 m3；V糖=7.58162=1227.96m3設(shè)發(fā)酵罐的填充系數(shù)，則每天需要發(fā)酵罐的總?cè)莘e為Vo(發(fā)酵周期為48h）。 VO=V=1227.9690%=1637.28m3（3）發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定：現(xiàn)選擇公稱容積為400m3的六彎葉機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐為例，則需要發(fā)酵罐的個(gè)數(shù)為。查表知公稱容積為400 m3的發(fā)酵罐，總?cè)莘e為453m3，則：每臺(tái)罐的產(chǎn)量為：4000.913%1.1195%98%=48.363588t發(fā)酵罐所需個(gè)數(shù)= = =5.55取公稱容積400 m3發(fā)酵罐11個(gè)；每日投（放）罐次：16248.36=3.349圓整到4次，日運(yùn)轉(zhuǎn)10.467596675=9.211475。其中發(fā)酵時(shí)間為66h，發(fā)酵操作時(shí)間為75h（4）實(shí)際產(chǎn)量驗(yàn)算：4530.7543007.58=53786.28；富裕量：(53786.28-48561.48) 48561.48=10.76%，能滿足產(chǎn)量要求。3.3.2主要尺寸的計(jì)算（1）現(xiàn)按公稱容積200 m3的發(fā)酵罐計(jì)算V全V筒+2V封230（m3），封頭折邊忽略不計(jì)，以方便計(jì)算：則V全0.785D22D+24D32460解方程得：D6.31（m） 取D=6.3m，H=2D=12.6m；根據(jù)發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)概論通用發(fā)酵罐系數(shù)表，查得封頭高為H封ha+hb=1250+50=1300(mm)。（2）驗(yàn)算全容積：V全=V簡+2V封=0.785D22D+(24)D32+0.785D20.05 =0.7856.3226.3+6.33212+0.7856.320.05 =459.5606m3V全=V全3.3.3發(fā)酵罐冷卻面積的計(jì)算對檸檬酸發(fā)酵，每1m3發(fā)酵液，每1h傳給冷卻器得最大熱量約為4.186000kJ/(m3h)。采用豎式列管換熱器。取經(jīng)驗(yàn)值K4.18500kJ/( m3h)。平均溫差為： 3535152820 7 代入得： =對公稱體積200 m3的發(fā)酵罐，每次放4罐，每罐實(shí)際裝液量為：1227.964=306.99 m2換熱面積= 4.186000306.99（4.1850012.4）=297.0871 m23.3.4發(fā)酵罐攪拌器的設(shè)計(jì)（選用六彎葉渦輪攪拌器）。（1）主要尺寸：列該攪拌器的各部尺寸與罐徑D有一定的比例關(guān)系，如下：攪拌器葉徑 D/3=6.3/3=2.1m葉寬 B=0.2d=0.22.1=0.42m弧長 l=0.375d=0.3752.1=0.7875m底距 C=D/3=6.3/3=2.1m盤徑 di=0.75Di=0.752.1=1.575m葉弦長 L=0.25d=0.252.1=0.525m葉距 Y=D=6.3m彎葉板厚 =12mm（2）轉(zhuǎn)速：取四檔攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N可根據(jù)50 m3罐，攪拌器直徑1.05 m，轉(zhuǎn)速n=110r/min,以等PO/N為標(biāo)準(zhǔn)放大求得4：N2=N1(D1/D2)2/3=110(1.05/2.1) 2/3=36.67(r/min)（3）攪拌軸功率：通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐，攪拌軸功率的計(jì)算有許多方法，現(xiàn)采用修正的脈凱爾式求攪拌軸功率，并由此選擇電機(jī)。計(jì)算：式中：攪拌器直徑，為2.1m攪拌器轉(zhuǎn)速，為36.67/600.611(r/s)醪液密度，1050kg/ m3 醪液粘度，Ns/ m2將數(shù)代入上式，得：2.120.6111050/1.310-3=2.18106104視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)NP4.7計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌軸功率PO：PONPN3D5式中：NP在湍流狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù)4.7N攪拌器轉(zhuǎn)速，為0.611(r/s)D攪拌器直徑，為2.1m 醪液密度，1050kg/m3代入上式得：PO4.70.61132.151050459.986kW四檔功率則為：PO4 PO183.994 kW計(jì)算通風(fēng)時(shí)的軸功率Pg：Pg kW式中：PO不通氣時(shí)的攪拌軸功率，P02 =183.9942=3.385105N攪拌器轉(zhuǎn)速，為80r/minD攪拌器直徑(cm)，D3 =2.13106=9.261106Q通風(fēng)量(ml/min)，通風(fēng)比為vvm=0.08-0.15，取低限，如通風(fēng)量變大，Pg會(huì)小，為安全，現(xiàn)取0.11，則：Q=4000.750.11106=3.3107Q0.08(3.33.99Pg=2.2510-3 (3.38510536.679.261106/3.835)0.39=162.64kW求電機(jī)功率：P電Pg(123) 1.01 采用三角帶傳動(dòng)0.92，滾動(dòng)軸承0.99，滑動(dòng)軸承0.98，端面密封增加的功率為1，代入公式數(shù)值得：162.641.01(0.920.990.98)184.0291 kW查取合適電機(jī)。3.3.5發(fā)酵罐設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)（1）空氣分布器 本罐使用單管進(jìn)風(fēng)，風(fēng)管直徑計(jì)算見后面的接管設(shè)計(jì)。（2）檔板 檔板的作用是加強(qiáng)攪拌強(qiáng)度，促使液體上下翻動(dòng)和控制流型，防止產(chǎn)生旋渦而降低混合與溶氧效果4。本罐因有扶梯和豎式蛇管，故不設(shè)檔板。（3）密封方式 本罐采用雙面機(jī)械密封方式，處理軸與罐的動(dòng)靜問題。（4）冷卻管布置 豎式蛇管冷卻裝置。求最高熱負(fù)荷下的好水量W：式中：Q總- 每1 m3醪液在發(fā)酵最旺盛時(shí)，1h的發(fā)酵量與醪液總體積的乘積：Q總=306.994.186000=7.699106 CP- 冷卻水的比熱容，4.174KJ/h t2 - 冷卻水出溫，15 代入上式得： W=7.699106 4.18(28-15)=141687.78g/h=39.36kg/s 冷卻管組數(shù)和管徑設(shè)冷卻管總表面積為S總=n0.785do2冷卻水體積流量為10.410-3 m3/s，取冷卻水在豎直蛇管中流速為1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積S總為：式中：-冷卻水體積流量，10.410-3m3/s -冷卻水流速，1 m/s則有： S總=10.410-3/1=10.410-3m2豎直蛇管得組數(shù)N，根據(jù)管的大小一般取3、4、6、8、12組，通常每組管圈數(shù)不超過6圈，增加組數(shù)可排下更多的冷卻管，管與攪拌器的最小距離不應(yīng)小于250mm；每圈管子的中心距為2.5，管兩端U型或V型彎管，可彎制或焊接，安裝是每組豎直蛇管用專用夾板夾緊，懸掛在托架上。夾板和托架則固定在罐壁上，管子與管壁的最小距離應(yīng)大于100mm，主要考慮便于安裝、清洗和良好傳熱。根據(jù)發(fā)酵罐的實(shí)際情況，取管徑。由上式得：do= =0.04m查金屬材料表選取無縫管，68 mm ，72 mm，現(xiàn)取豎蛇管圈端部U型彎管曲徑為200 mm，則兩直管間距離為400 mm，總長度：3.144001256 mm 長度L的計(jì)算： 冷卻管總面積F155.3 m2，無縫鋼管為，每米的冷卻面積為Fo=3.140.0681=0.21(m2)，則L=F/Fo=297.08710.21=1391.378m冷卻管占有體積： V=0.7850.06821391.378=5.05 m3 長Lo和管組高度：Lo=1391.3788=173.92m另需連接管 8m:L實(shí)=1391.378+8=1399.378m可排豎直蛇管的高度，設(shè)為靜液面高度，下部可伸入封頭250 mm。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為1m3，則總占有體積：V總=V液+V容+V附件=306.99+2.68+1=310.67m3由前可知，V封頭=D3/24+0.785D20.05 =3.146.3324+0.7856.3220.05 =34.272m3則管筒體部分液深為：（V總-V封）/S截=（177.52-17.335）0.78552=8.16m豎蛇管總高： H管=8.16+0.25=8.41mm又兩端彎管總長： lo=1256mm，兩彎管總高400mm則直管部分高度： h=H管-400=8410-400=8010mm則一圈管長： l=2l+lo=28721+1256=18.7m每組管子數(shù)no=Lo/l=173.922318.7=9.3(圈)，取no=10（圈）現(xiàn)取管間距為2.5D外=2.50.076=0.19m，計(jì)算出與攪拌器的距離在允許范圍內(nèi)（不小于200 mm）。校核布置后冷卻管的實(shí)際傳熱面積：F實(shí)=d平均L實(shí)=3.140.0721399.378=316.3714m2F=155.3m3可滿足要求。3.3.6發(fā)酵罐設(shè)備材料的選擇發(fā)酵設(shè)備的材料選擇，優(yōu)先考慮的是滿足工藝的要求，其次是經(jīng)濟(jì)性。有機(jī)酸發(fā)酵，考慮到對產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的影響，安全性，后道工序除鐵困難，腐蝕性強(qiáng)等，必須使用加工性能好，耐酸腐蝕的不銹鋼，采用制作發(fā)酵設(shè)備15。3.3.7發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算（1）確定發(fā)酵罐的壁厚S mm式中：P設(shè)計(jì)壓力，取最高工作壓力的1.05倍，現(xiàn)取P=0.4MPa; D發(fā)酵罐內(nèi)徑，6300mm 不銹耐酸鋼的許用應(yīng)力； 焊封系數(shù)，由D=5000mm800mm，雙面對接焊局部探傷，取=0.9； C壁厚附加量； C=C1+C2+C3其中：C1- 鋼板負(fù)偏量，視鋼板厚度查表確定，其范圍為0.13-1.3，取C1=0.5mm C2-為腐蝕余量，單面腐蝕取1mm，雙面對接焊局部探傷，取C2=0 C3-加工減薄量，對冷加工C3=0，熱加工封頭C3=So10%，現(xiàn)取C3=0 C=0.5+0+0=0.5mm則： S=0.46300（2131.290.9-0.4）+0. 5=10.71mm選取11mm厚不銹耐酸鋼。2 封頭壁厚計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的厚度計(jì)算公式如下：代入數(shù)得：S=0.46300（2131.290.9-0.4）+1.5=12.1815mm選取13mm厚不銹耐酸鋼。3.3.8發(fā)酵罐接管設(shè)計(jì)（1）接管的長度H設(shè)計(jì)取接管長度為8 m。（2）接管直徑的確定該管實(shí)裝醪量174.34 m3，設(shè)5h空，則物料體積流量： Q=306.99（36005）=1.7 m3/s發(fā)酵醪流量取V=1m/s；則排料管截面積：F實(shí)=Q/V=1.710-3 m2 由 得： 管徑 d=(F實(shí)/0.785)1/2=0.147m=147mm取無縫鋼管1334，d內(nèi)=147mm110mm 認(rèn)為適用若接通風(fēng)管計(jì)算，壓縮空氣在0.4MPa下，支管氣速為2025m/s，現(xiàn)通風(fēng)比0.080.15vvm，為常溫20，0.1MPa下的情況，要折算到0.4MPa，36狀態(tài)下，風(fēng)量Q，取最大值，Q1=306.990.5=46.049/min=0.767m2/s利用氣態(tài)方程式計(jì)算工作狀態(tài)的風(fēng)量QfQf=0.767(0.10.4)(273+35) (273+20)=0.202m3/s Ff=Q/V=0.202/25=0.008m2取風(fēng)速V=25m/s，則風(fēng)管直徑：D氣= = =0.101m兩者中的大值，取無縫鋼管1334工藝要求。（3）排料實(shí)踐復(fù)核：物料流量Q=1.70610-2m/s流速V=1m/s管道截面積F=0.7850.1932=2.910-2m2在相同流速下，流國物料因管徑較原料計(jì)算結(jié)果大，則相應(yīng)流速比為：P=Q/FV=1.70610-22.910-2=0.583倍排料時(shí)間：T=50.583=2.913h3.3.9發(fā)酵罐支座的選擇對于75 m3的發(fā)酵罐，由于設(shè)備重量較大，應(yīng)選用裙式支座。3.4貯罐選型3.4.1發(fā)酵成熟醪貯罐根據(jù)化工原理貯罐類設(shè)計(jì)原則，便于計(jì)量和清洗，不宜多，一般不超過3支本設(shè)計(jì)根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的需要，選擇1支發(fā)酵成熟醪貯罐。（采用蒸汽直接加熱，裝料系數(shù)取0.7）。則有：V=m/=2566.961.05=2445m3/d， V總=V/=24450.7=3493 m3/d分三班運(yùn)做，則V每天=1164，取筒徑高比H=2D，有：V1=V簡 +V封=0.785D22D+D324=1164， D=8.8m取整D=9m，則H=2D=18m，V實(shí) =1.5793+0.1393=1239.3V1，滿足要求。3.4.2硫酸銨貯罐按前計(jì)算，硫酸銨總量按對接種量質(zhì)量比0.5%，得硫酸銨用量：G=0.35t/d，流加硫酸銨溶液為40%，最終重度為5kg/m3。（1）則每天用硫酸銨溶液體積為V=0.35103(40%5)=175 m3取=70%，則有V總=