年產(chǎn)3萬(wàn)噸味精工廠發(fā)酵車間設(shè)計(jì)

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生化工廠設(shè)計(jì)概論課程設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)3萬(wàn)噸味精工廠發(fā)酵車間設(shè)計(jì)學(xué)院：生命科學(xué)學(xué)院專業(yè)：生物工程年級(jí)：06級(jí)姓名：XXX學(xué)號(hào)：XXX指導(dǎo)教師：XXX時(shí)間：2009年12月9日前言課程設(shè)計(jì)是一般高校本科教育中特不重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)也是理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的重要環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)為年產(chǎn)3萬(wàn)噸味精廠的生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)，通過(guò)雙酶法谷氨酸中糖發(fā)酵以及一次等電點(diǎn)提取工藝生產(chǎn)谷氨酸鈉。谷氨酸單鈉（monosodiumglutamate）,呈強(qiáng)烈鮮味，商品名為味精。因味精具有肉類鮮味，現(xiàn)已成為人們普遍采納的鮮味劑，其消費(fèi)量在國(guó)內(nèi)外均呈上升趨勢(shì)。隨著人們對(duì)味精的認(rèn)識(shí)不斷深入提高，對(duì)它的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、安全性及如何正確使用都有了普遍的了解。味精具有專門(mén)強(qiáng)的鮮味（值為0.03%），現(xiàn)已成為人們普遍采納的鮮味劑，其消費(fèi)量在國(guó)內(nèi)外均呈上升趨勢(shì)。1987年3月，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織食品添加劑專家聯(lián)合委員會(huì)第十九次會(huì)議，宣布取消對(duì)味精的食用限量，再次確認(rèn)為一種安全可靠的食品添加劑。味精是一種強(qiáng)堿弱酸鹽，它在水溶液中能夠完全電離變成谷氨酸離子（GA︱+︱）和鈉離子。味精進(jìn)入胃后，受胃酸作用生成谷氨酸。谷氨酸被人體汲取后，參與體內(nèi)許多代謝反應(yīng)，并于其他許多氨基酸一起共同構(gòu)成人體組織的蛋白質(zhì)。味精能夠增進(jìn)人們的食欲，提高人體對(duì)其他各種食物的汲取能力，對(duì)人體有一定的滋補(bǔ)作用。因?yàn)槲毒锖写罅康墓劝彼?，是人體所需要的一種氨基酸，96％能被人體汲取，形成人體組織中的蛋白質(zhì)。它還能與血氨結(jié)合，形成對(duì)機(jī)體無(wú)害的谷氨酰胺，解除組織代謝過(guò)程中所產(chǎn)生的氨的毒性作用。因此，谷氨酸能用來(lái)預(yù)防和治療肝昏迷。由于谷氨酸參與腦組織的蛋白質(zhì)代謝和糖代謝，故而能促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正?；顒?dòng)，對(duì)治療腦震蕩和腦神經(jīng)損傷有一定療效。從總體上講，味精行業(yè)的進(jìn)展前景是比較寬敞的，我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，而我國(guó)的味精出口不足年產(chǎn)量的1%，絕大部分味精都在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上消化了，隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)味精的需求會(huì)越來(lái)越大，況且國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上對(duì)味精的消費(fèi)不僅僅限于調(diào)味，而是廣泛的作為一種原材料或香料表面活性劑應(yīng)用于醫(yī)藥和化妝品生產(chǎn)行業(yè)。由此可見(jiàn)，味精的消費(fèi)市場(chǎng)開(kāi)拓是專門(mén)有前景的。本文對(duì)味精發(fā)酵生產(chǎn)工藝及要緊設(shè)備作簡(jiǎn)要介紹，以期有助于了解通氣發(fā)酵工藝和要緊設(shè)備的有關(guān)知識(shí)。設(shè)計(jì)內(nèi)容為，了解味精生產(chǎn)中的原料預(yù)處理、發(fā)酵、提取部分的生產(chǎn)方法和生產(chǎn)流程，依照實(shí)際情況來(lái)選擇發(fā)酵工段合適的生產(chǎn)流程，并對(duì)流程中的原料進(jìn)行物料衡算、熱量衡算及設(shè)備的選擇。最后，畫(huà)動(dòng)身酵工段的工藝流程圖和平面布置圖。整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容大體分成三部分，第一部分要緊是味精生產(chǎn)的工藝和設(shè)備選擇；第二部分包括發(fā)酵罐、種子罐及空氣分過(guò)濾器的設(shè)計(jì)與選型；第三部分是工藝流程和平面布置圖。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，自始至終得到王能強(qiáng)老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)的熱心關(guān)心，在此表示衷心感謝！盡管作者在編寫(xiě)和修改過(guò)程中已做了專門(mén)大努力，但由于水平有限以及經(jīng)驗(yàn)不足，其中依舊有許多錯(cuò)誤和不當(dāng)之處，敬請(qǐng)各位老師批判指點(diǎn)，以利于作者認(rèn)識(shí)自己的不足，不斷修改和完善。設(shè)計(jì)人：XXX2009年12月9日緒論味精是人們熟悉的鮮味劑，又稱谷氨酸鈉，是L—谷氨酸單納鹽（Monosodiumglutamate）的一水化合物（HOOC-CH2CH(NH2)-COONaH2O）,或命名為u-氨基戊二酸單鈉一水化合物。它含有一分子結(jié)晶水，其分子式為HOOC-CH2CH(NH2)-COONaH2O，分子量187.13。具有旋光性，有D-型和L-型兩種光學(xué)異構(gòu)體。谷氨酸跟堿作用生成谷氨酸一鈉，假如堿過(guò)量，則生成不具有鮮味的谷氨酸二鈉。味精為八面柱狀晶體，不溶于純酒精、乙醚及丙酮等有機(jī)溶劑，易溶于水，相對(duì)密度為1.65，熔點(diǎn)195℃，在120℃以上逐漸失去分子中的結(jié)晶水。味精的比旋光度[]=+25.16（C=10，2NHCl）。0.2%味精溶液的pH為0.7。味精生產(chǎn)大致經(jīng)歷了三個(gè)大的時(shí)期：第一時(shí)期：最早的味精制造方法確實(shí)是從天然的食物材料中抽取，例如：將海帶以熱水煮過(guò)，取其湯液濃縮后即可得到含有味精的濃縮液或調(diào)味粉。

第二時(shí)期：最早商業(yè)化制造味精的原料是面筋。面筋即是面粉中的蛋白質(zhì)，采納的方法是蛋白質(zhì)水解法，因?yàn)槊娼畹膩?lái)源豐富，且含有高達(dá)23%的麩胺酸，最適合做為制造味精的原料。第三時(shí)期：1958年利用微生物生產(chǎn)味精的發(fā)酵技術(shù)開(kāi)發(fā)成功，要緊是利用葡萄糖、果糖或蔗糖為糖源，經(jīng)特不篩選的味精生產(chǎn)菌種汲取代謝后，合成大量的麩胺酸，是屬于生物合成的天然胺基酸。這些特不篩選的微生物會(huì)將糖蜜中的糖轉(zhuǎn)變成麩胺酸。每消耗一公斤的糖，約可產(chǎn)生0.5公斤的麩胺酸，生產(chǎn)效率特不高。受經(jīng)濟(jì)危機(jī)阻礙，全球經(jīng)濟(jì)大幅縮水，國(guó)外的餐飲業(yè)大幅受到阻礙，味精工業(yè)的進(jìn)展自然受到?jīng)_擊，我國(guó)味精產(chǎn)業(yè)由于要緊以內(nèi)銷為主，阻礙不大，又由于國(guó)家大幅擴(kuò)大內(nèi)需，是以進(jìn)展前景樂(lè)觀。目錄前言1緒論錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。一.味精生產(chǎn)工藝41.1味精生產(chǎn)工藝概述41.2原料的預(yù)處理及淀粉水解制備51.2.1原料的預(yù)處理51.2.2淀粉水解制備51.3種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵51.4谷氨酸的提取51.5谷氨酸制取味精及味精成品加工5二.發(fā)酵罐及種子罐的設(shè)計(jì)與選型62.1味精工廠發(fā)酵車間的物料衡算62.1.1工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)62.1.2谷氨酸發(fā)酵車間的物料衡算62.1.330000t/a味精廠發(fā)酵車間的物料衡結(jié)果82.2熱量衡算92.2.1液化工序熱量衡算92.2.2連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算92.2.3谷氨酸鈉溶液濃縮結(jié)晶過(guò)程的熱量衡算102.2.4干燥過(guò)程的熱量衡算112.2.5生產(chǎn)過(guò)程耗用蒸汽衡算匯總衡算結(jié)果112.3無(wú)菌空氣耗量計(jì)算122.4設(shè)備設(shè)計(jì)與選型122.4.1發(fā)酵罐122.4.2種子罐212.4.3空氣分過(guò)濾器272.4.4味精廠發(fā)酵車間設(shè)備一覽表28致謝28要緊參考文獻(xiàn)29一.味精生產(chǎn)工藝1.1.味精生產(chǎn)工藝概述味精生產(chǎn)全過(guò)程可劃分為四個(gè)工藝時(shí)期：（1）原料的預(yù)處理及淀粉水解糖的制備；（2）種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵；（3）谷氨酸的提取；（4）谷氨酸制取味精及味精成品加工。與這四個(gè)工藝時(shí)期相對(duì)應(yīng)味精生產(chǎn)廠家一般都設(shè)置了糖化車間、發(fā)酵車間、提取車間和精制車間作為要緊生產(chǎn)車間。另外，為保障生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)蒸汽的需求，同時(shí)還設(shè)置了動(dòng)力車間，利用鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽，并通過(guò)供氣管路輸送到各個(gè)生產(chǎn)需求部位。為保障全廠生產(chǎn)用水，還要設(shè)置供水站。所供的水經(jīng)消毒、過(guò)濾系統(tǒng)處理，通過(guò)供水管路輸送到各個(gè)生產(chǎn)需求部位。味精發(fā)酵法生產(chǎn)的總工藝流程見(jiàn)圖1?？諝饩N原料空氣菌種原料空氣壓縮機(jī)預(yù)處理斜面培養(yǎng)空氣壓縮機(jī)預(yù)處理斜面培養(yǎng)搖瓶擴(kuò)大培養(yǎng)冷卻水解搖瓶擴(kuò)大培養(yǎng)冷卻水解除鐵離心沉淀發(fā)酵配料過(guò)濾除鐵離心沉淀發(fā)酵配料過(guò)濾氣液分離種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)過(guò)濾氣液分離種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)過(guò)濾淀粉水解糖淀粉水解糖過(guò)濾除菌脫色過(guò)濾除菌脫色濃縮結(jié)晶濃縮結(jié)晶離心離心等電點(diǎn)調(diào)節(jié)過(guò)濾干燥大結(jié)晶干燥小結(jié)晶等電點(diǎn)調(diào)節(jié)過(guò)濾干燥大結(jié)晶干燥小結(jié)晶拌鹽粉碎拌鹽粉碎成品味精粉狀味精母液粗谷氨酸粗谷氨酸成品味精粉狀味精母液粗谷氨酸粗谷氨酸中和制味精離子交換處理中和制味精離子交換處理粗谷氨酸溶液溶解粗谷氨酸溶液溶解1.2.原料的預(yù)處理及淀粉水解制備1.2.1.原料的預(yù)處理此工藝操作的目的在于初步破壞原料結(jié)構(gòu)，以便提高原料的利用率，同時(shí)去除固體雜質(zhì)，防止機(jī)器磨損。用于除雜的設(shè)備為篩選機(jī)，常用的是振動(dòng)篩和轉(zhuǎn)筒篩，其中振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，使用方便。用于原料粉碎的設(shè)備除盤(pán)磨機(jī)外，還有錘式粉碎機(jī)和輥式粉碎機(jī)。盤(pán)磨機(jī)廣泛用于磨碎大米、玉米、豆類等物料，而錘式粉碎機(jī)應(yīng)用于薯干等脆性原料的中碎和細(xì)碎作用，輥式粉碎機(jī)要緊用于粒狀物料的中碎和細(xì)碎［3］。1.2.2.淀粉水解制備在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解為葡萄糖的過(guò)程稱為淀粉的糖化，所制得的糖液稱為淀粉水解糖。由于谷氨酸生產(chǎn)菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必須將淀粉水解為葡萄糖，才能供發(fā)酵使用。目前國(guó)內(nèi)許多味精廠采納雙酶法制糖工藝。1.3.種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵種子擴(kuò)大培養(yǎng)為保證谷氨酸發(fā)酵過(guò)程所需的大量種子，發(fā)酵車間內(nèi)設(shè)置有種子站，完成生產(chǎn)菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)任務(wù)。從試管斜面動(dòng)身，經(jīng)活化培養(yǎng)，搖瓶培養(yǎng)，擴(kuò)大至一級(jí)乃至二級(jí)種子罐培養(yǎng)，最終向發(fā)酵罐提供足夠數(shù)量的健壯的生產(chǎn)種子。谷氨酸發(fā)酵開(kāi)始前，首先必須配制發(fā)酵培養(yǎng)基，并對(duì)其作高溫短時(shí)滅菌處理。用于滅菌的工藝除采納連消塔—維持罐一噴淋冷卻系統(tǒng)外，還可采納噴射加熱器—維持管—真空冷卻系統(tǒng)或薄板換熱器滅菌系統(tǒng)。但由于糖液粘度較大，流淌性差，容易將維持管堵塞，同時(shí)真空冷卻器及薄板加熱器的加工制造成本較高，因而應(yīng)用較少。發(fā)酵設(shè)備，國(guó)內(nèi)味精廠大多采納機(jī)械攪拌通風(fēng)通用式發(fā)酵罐，罐體大小在50m3到200m3之間。關(guān)于發(fā)酵過(guò)程采納人工操縱，檢測(cè)儀表不能及時(shí)反映罐內(nèi)參數(shù)變化，因而發(fā)酵進(jìn)程表現(xiàn)出波動(dòng)性，產(chǎn)酸率不穩(wěn)定。由于谷氨酸發(fā)酵為通風(fēng)發(fā)酵過(guò)程，需供給無(wú)菌空氣，因此發(fā)酵車間還有一套空氣過(guò)濾除菌及供給系統(tǒng)。首先由高空采氣塔采集高空潔凈空氣，經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后導(dǎo)入冷凝器、油水分離器兩級(jí)處理，再送入貯氣罐，進(jìn)而經(jīng)焦炭、瓷環(huán)填充的主過(guò)濾器和纖維分過(guò)濾器除菌后，送至發(fā)酵罐使用。在北方地區(qū)由于空氣濕度小、溫度低，還可采納空氣壓縮、冷卻過(guò)濾流程，省去一級(jí)冷卻設(shè)備［4］。1.4.谷氨酸的提取谷氨酸的提取一般采納等電點(diǎn)—離子交換法，國(guó)內(nèi)有些味精廠還采納等電點(diǎn)—鋅鹽法、鹽酸水解—等電點(diǎn)法及離子交換膜電滲析法提取谷氨酸。但存在廢水污染大，生產(chǎn)成本高，技術(shù)難度大等問(wèn)題，應(yīng)用上受到限制［1］。1.5.谷氨酸制取味精及味精成品加工精制車間加工的谷氨酸產(chǎn)品為谷氨酸單鈉，即味精。粗品經(jīng)提純、加工、包裝，得到成品。味精中和液的脫色過(guò)程，除使用碳柱外，還可使用離子交換柱，利用離子交換樹(shù)脂的吸附色素。味精的干燥過(guò)程，國(guó)內(nèi)許多廠家還采納箱式烘房干燥，設(shè)備簡(jiǎn)單，投資低，但操作條件差，生產(chǎn)效率低，不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的要求。也有的廠家使用氣流干燥技術(shù)，生產(chǎn)量大，干燥速度快，干燥時(shí)刻短，但干燥過(guò)程對(duì)味精光澤和外形有阻礙，同時(shí)廠房建筑要求較高，如此均不如振動(dòng)式干燥床應(yīng)用效果好[4]。二．發(fā)酵罐及種子罐的設(shè)計(jì)與選型2.1.味精工廠發(fā)酵車間的物料衡算2.1.1工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)規(guī)模：

6萬(wàn)噸／年(或12萬(wàn)噸／年)生產(chǎn)規(guī)格：

純度為99％的味精生產(chǎn)方法：

以工業(yè)淀粉為原料、雙酶法糖化、流加糖發(fā)酵，低溫濃縮、等電提取生產(chǎn)天數(shù)：

300天／年

倒罐率：

0.5％發(fā)酵周期：40-42小時(shí)

生產(chǎn)周期：48-50小時(shí)種子發(fā)酵周期：8-10小時(shí)種子生產(chǎn)周期：12-16小時(shí)發(fā)酵醪初糖濃度：

15％(W／V)

流加糖濃度：45％(W／V)發(fā)酵谷氨酸產(chǎn)率：

10％

糖酸轉(zhuǎn)化率：

56％淀粉糖轉(zhuǎn)化率：

98％

谷氨酸提取收率：

92％味精對(duì)谷氨酸的精制收率：112％原料淀粉含量：86％

發(fā)酵罐接種量：

10％發(fā)酵罐填充系數(shù)：

75％發(fā)酵培養(yǎng)基(W/V)：

水解糖15％，糖蜜0.3％，玉米漿0.2%，MgSO4

0.04％，KCl0.12％，Na2HPO40.16%，尿素4％，消泡劑0.04％種子培養(yǎng)基(W/V)：

水解糖2.5％，糖蜜2％，玉米漿l%，MgSO40.04％，K2HPO40.1％，尿素0.35％，消泡劑0.03％2.1.2谷氨酸發(fā)酵車間的物料衡算首先計(jì)算生產(chǎn)1000kg純度為100%的味精需耗用的原輔材料及其他物料量。（1）發(fā)酵液量V1式中220——發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度（kg/m3）56%——糖酸轉(zhuǎn)化率90%——谷氨酸提取率97%——除去倒灌率0.3%后的發(fā)酵成功率110%——味精對(duì)谷氨酸的精制產(chǎn)率（2）發(fā)酵液配制需水解糖量G1以純糖算，（3）二級(jí)種液量V2（4）二級(jí)種子培養(yǎng)液所需水解糖量G2式中25——二級(jí)種液含糖量（kg/m3）（5）生產(chǎn)1000kg味精需水解糖總量G為：（6）耗用淀粉原料量理論上，100kg淀粉轉(zhuǎn)化生成葡萄糖量為111kg，故理論上耗用的淀粉量G淀粉為：式中85%——淀粉原料含純淀粉量98%——淀粉糖轉(zhuǎn)化率（7）尿素耗用量二級(jí)種液耗尿素量為V3發(fā)酵培養(yǎng)基耗尿素為V4故共耗尿素量為331.68kg（8）甘蔗糖蜜耗用量二級(jí)種液耗用糖蜜量V5發(fā)酵培養(yǎng)基耗糖蜜量V6合計(jì)耗糖蜜41.1kg（9）氯化鉀耗量GKCl（10）磷酸氫二鉀（K2HPO4）耗量G3（11）硫酸鎂（MgSO4·7H2O）用量G4（12）消泡劑（泡敵）耗用量G5（13）磷酸氫二鈉耗用量G6（14）谷氨酸（麩酸）量發(fā)酵液谷氨酸含量為：實(shí)際生產(chǎn)的谷氨酸（提取率90%）為：（15）玉米漿用量2.1.330000t/a味精廠發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果年產(chǎn)30000噸味精物料橫算表物料名稱生產(chǎn)1t味精（100%）的物料量15000t/a味精生產(chǎn)的物料量每日物料量發(fā)酵液（m3）8.22246.6822二級(jí)種液（m3）0.82282.2發(fā)酵水解用糖（kg）1809二級(jí)種培養(yǎng)用糖（kg）20.552055水解糖總量（kg）1829.55淀粉(kg)1978.7尿素（或液氨）331.68糖蜜（kg）41.1氯化鉀（kg）9.87987磷酸氫二鉀（kg）0.82282.2硫酸鎂（kg）3.62362泡敵（kg）3.54354磷酸氫二鈉（kg）13.151315玉米漿（kg）24.662466谷氨酸（kg）9.92.2熱量衡算

熱量衡確實(shí)是依照能量守恒定律建立起來(lái)的，熱平衡方程表示如下：

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q62.2.1.液化工序熱量衡算

（1）液化加熱蒸汽量

加熱蒸汽消耗量（D），可按下式計(jì)算：

D=

式中G--淀粉漿量（kg/h）

C--淀粉漿比熱容（kJ/（kg·K））

t1--漿料初溫（20+273=293K）

t2--液化溫度（90+273=363K）

I--加熱蒸汽焓，2738kJ/kg（0.3Mpa，表壓）

λ--加熱蒸汽凝聚水的焓，在363K時(shí)為377kJ/kg

①淀粉漿量G：依照物料衡算，日投工業(yè)淀粉197.9t；連續(xù)液化，197.9/24=68.2（t/h）。加水為1：2.5，粉漿量為：6820×3.5=13870（t/h）。②粉漿比熱C可按下式計(jì)算：

C=C0+C水

式中

C0--淀粉質(zhì)比熱容，取1.55kJ/（kg·K）

X--粉漿干物質(zhì)含量，24.6%

C水--水的比熱容，4.18kJ/（kg·K）

C=1.55+4.18=3.53（kJ/（kg·K））

③蒸汽用量

D==963（kg/h）

（2）滅酶用蒸汽量

滅酶時(shí)將液化液由90℃加熱至100℃，在100℃時(shí)的λ為419kJ/kg。

D滅==140（kg/h）

要求在20min內(nèi)使液化液由90℃升至100℃，則蒸汽高峰量為：

140×=420（kg/h）

以上兩項(xiàng)合計(jì)，平均量963+140=1103（kg/h）；每日用量1.1×24=26.4（t/d）。

高峰量：

963+420=1383（kg/h）

2.2.2.連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算

（1）培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量

發(fā)酵罐200m3裝料系數(shù)0.75，每罐產(chǎn)100%MSG量：

200×0.75×3%×85%×97%×1.272=11.27（t）

發(fā)酵操作時(shí)刻48h（其中發(fā)酵時(shí)刻38h），需發(fā)酵罐臺(tái)數(shù)6臺(tái)。滅菌加熱過(guò)程中用0.4Mpa蒸汽（表壓）I=2743kJ/kg，使用板式換熱器將物料由20℃預(yù)熱至75℃，再加熱至120℃。冷卻水由20℃升至45℃。每罐滅菌時(shí)刻3h，輸料流量0.3（t/h）

消毒滅菌用蒸汽量（D）：

D=3212（kg/h）=3.2（t/h）

式中3.97為糖液的比熱容（kJ/（kgoK））

每日用蒸汽量：

3.2×3×3=28.8（t/d）

高峰量：

3.2t/h

平均量：28.8÷24=1.2（t/h）

（2）發(fā)酵罐空罐滅菌蒸汽用量

①發(fā)酵罐體加熱：200m3，1Cr18Ni9的發(fā)酵罐體重34.3t，冷卻排管重6t，1Cr18Ni9的比熱容0.5kJ/（kg·K），用0.2Mpa（表壓）蒸汽滅菌，使發(fā)酵罐在0.15Mpa（表壓）下，由20℃升至127℃。其蒸汽量為986（kg）

②填充發(fā)酵罐空間所需的蒸汽量：因200m3發(fā)酵罐的全容積大于200m3，考慮到罐內(nèi)之排管、攪拌器等所占之空間，罐之自由空間仍按200m3計(jì)算。填充空間需蒸汽量：

D空=Vρ=200×1.622=324.4（kg）

式中

V--發(fā)酵罐自由空間即全容積（m3）

ρ--加熱蒸汽的密度（kg/m3），0.2Mpa表壓時(shí)為1.622

③滅菌過(guò)程的熱損失：輻射與對(duì)流聯(lián)合給熱系數(shù)α，罐外壁溫度70℃。

α=33.9+0.19(70-20)=43.4(kJ/(m2·h·K))

200m3發(fā)酵罐的表面積為201m2，耗用蒸汽量：

D損==199（kg）

④罐壁附著洗滌水升溫的蒸汽消耗41（kg）⑤滅菌過(guò)程蒸汽滲漏，取總汽消耗量的5%，空罐滅菌蒸汽消耗量為：1632（kg/h）

每空罐滅菌1.5h，用蒸汽量：

1632×1.5=2448（kg/罐）

每日用蒸汽量：

2448×3=7344（kg/d），平均量7344/24=306（kg/h）

2.2.3.谷氨酸鈉溶液濃縮結(jié)晶過(guò)程的熱量衡算

年產(chǎn)萬(wàn)噸商品味精，日產(chǎn)100%MSG29.75t，選用25m3強(qiáng)制內(nèi)循環(huán)結(jié)晶罐，濃縮結(jié)晶操作周期24h，其中輔助時(shí)刻4h。每罐產(chǎn)100%MSG10t，需結(jié)晶罐臺(tái)4臺(tái)。每罐投入40g/dl的中和脫色液（俗稱原液）23m3，流加30g/dl母液32m3，過(guò)程中加水6m3，在70℃下真空蒸發(fā)結(jié)晶，濃縮3h，育晶17h。放料數(shù)量20m3

（1）熱量衡算

①來(lái)料帶入熱量：進(jìn)料溫度35℃，比熱為3.5kJ/（kgoK）

Q來(lái)料=（23×1.16+32×1.13）×3.5×35×103=7.7×106（kJ）

②加水帶入熱量：

Q來(lái)水=6×4.18×35×103=8.8×105（kJ）

③晶種帶入熱量：MSG比熱容1.67（kJ/（kgoK））

Q來(lái)晶=1600×1.67×20=5.3×104（kJ）

④結(jié)晶放熱：MSG結(jié)晶熱為12.7kJ/mol

Q晶熱==5.7×105（kJ）

⑤母液帶走熱量：分離母液12m3，折算為相對(duì)密度1.26時(shí)15t，比熱容為2.83（kJ/（kgoK））

Q=15×103×2.83×70=3.0×106（KJ）

⑥隨二次蒸汽帶走熱量：

Q二蒸=（23+32+6-20）×2626×106=1.077×108（kJ）⑦隨結(jié)晶MSG帶走熱量：

Q出晶=10×103×1.67×70=1.17×106（kJ）

需外界供給熱量：

Q=（Q母+Q二蒸+Q出晶）-（Q來(lái)料+Q來(lái)水+Q來(lái)晶+Q晶熱）

=（3.0×106+1.077×108+1.17×106）-（7.7×106+8.8×105+5.3×104+5.7×105）

=9.5×107（kJ）

（2）計(jì)算蒸汽用量

每罐次用汽量：熱損按5%折算。

D==45830（kg/罐）

每罐濃縮結(jié)晶時(shí)刻20h，每小時(shí)耗蒸汽高峰量：45830/20=2292（kg/h）

4臺(tái)罐（實(shí)際是3.5臺(tái)）同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，高峰用蒸汽量：

3.5×2292=8022（kg/h）

每日用蒸汽量：

3.5×45830=160405（kg/d）=160（t/d）

每小時(shí)平均用蒸汽量：160/24=6.7（t/h）

2.2.4干燥過(guò)程的熱量衡算分離后之濕MSG含水2%，干燥后達(dá)到0.2%，進(jìn)加熱之空氣為18℃，相對(duì)濕度ψ=70%，通過(guò)加熱器使空氣升至80℃，從干燥器出來(lái)的空氣為60℃。

年產(chǎn)萬(wàn)噸商品味精，日產(chǎn)濕味精30.4t，二班生產(chǎn)，即30.4/16=1.9（t/h）。干燥水重量34（kg/h）

18℃空氣濕含量ψ=70%，X0=0.009（kg/kg干空氣），I0=41.8kJ/kg干空氣；加熱80℃，I1=104.5kJ/kg干空氣

用公式：Δ=（I2-I1）/（X2-X1）=Q物料+Q損失-Q初溫

式中

Δ--空氣通過(guò)干燥后的熱量變化（kJ/kg）

Q損失--損失熱量，通常為有效熱量的10%

Q物料=1.9×103×（60-18）×0.4×4.18/34=3924（kJ/kg水）

Q損失=0.1×（595×4.18+0.47×60×4.18+3924-18×4.18）=645（kJ/kg水）

Δ=18×4.18-3924-645=-4494（kJ/kg水）

設(shè)X2=0.0108

I2=I1+Δ（X2-X1）=104.5+（-4494）（0.0108-0.009）=96.4（kJ/kg空氣）

空氣耗量為：

34/0.0108-0.009=18888（kg/h）

80℃時(shí)空氣的比容0.83m3/kg

實(shí)際消耗空氣量為：

18888×0.83=15677（m3/h）

耗用蒸汽量（D）：使用0.1Mpa（表壓）蒸汽加熱，熱損失按15%計(jì)：

D==618（kg/h）

每日用蒸汽量：618×16=9888（kg/d）

平均每小時(shí)用蒸汽量：9888/24=412（kg/h）

2.2.5.生產(chǎn)過(guò)程耗用蒸汽衡算匯總衡算結(jié)果：每日用蒸汽量為338t/d，每小時(shí)平均量為14.1t/h，高峰量為19.2t/h。100%MSG單耗蒸汽量：338/29.75=11.4（t/t）。年產(chǎn)30000噸味精熱量衡算表名稱每日用量（t）每小時(shí)均量（t）高峰量（t）單耗（t）蒸汽33814.119.211.42.3無(wú)菌空氣耗量計(jì)算（1）單罐無(wú)菌空氣耗用量230m3規(guī)模的通氣攪拌發(fā)酵罐的通氣速率為0.20-0.45vvn，取0.45計(jì)算①單罐發(fā)酵過(guò)程用氣量：（m3/h）②單罐年用氣量：（m3/a）（2）種子培養(yǎng)等其他無(wú)菌空氣耗量有經(jīng)驗(yàn)去耗氣量為發(fā)酵過(guò)程的20%故：（m3/h）單罐年用氣量：（m3/a）（3）高峰無(wú)菌空氣耗量：（m3/h）（4）車間無(wú)菌空氣年耗量：（m3/a）（5）單耗：（m3/h）年產(chǎn)30000噸味精無(wú)菌空氣衡算表：發(fā)酵罐公稱容積（m3）單罐通氣量（m3/h）種子罐耗氣量（m3/h）高峰空氣耗量（m3/h）年空氣耗量（m3/h）空氣單耗（m3/h）2004658931.55216492112.4設(shè)備設(shè)計(jì)與選型2.4.1發(fā)酵罐（1）發(fā)酵罐的選型選用機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（2）生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定①發(fā)酵罐容積的確定：選用200m3罐②生產(chǎn)能力的計(jì)算：現(xiàn)每天生產(chǎn)97%純度的味精100t，谷氨酸的發(fā)酵周期為48h(包括發(fā)酵罐清洗、滅菌、進(jìn)出物料等輔助操作時(shí)刻)。每天產(chǎn)純度為97%的味精100t，每噸100%的味精需糖液8.22m3則每天需糖液體積為V：設(shè)發(fā)酵罐的填充系數(shù)φ=75%；則每天需要發(fā)酵需要發(fā)酵罐的總體積為V0（發(fā)酵周期為48h）。③發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定：公稱體積為200m3的發(fā)酵罐，總體積為230m3取公稱體積200m3發(fā)酵罐11個(gè)，其中一個(gè)留作備用。實(shí)際產(chǎn)量驗(yàn)算：富裕量能滿足產(chǎn)量要求（3）要緊尺寸的計(jì)算：取高徑比H：D=2：1則有：H=2D；解方程得：取D=5mH=2D=10m；封頭高：封頭容積：V封=16.4（m3）圓柱部分容積：V筒=197m3驗(yàn)算全容積V全：V全=V’全符合設(shè)計(jì)要求，可行。（4）冷卻面積的計(jì)算對(duì)谷氨酸發(fā)酵，每1m3發(fā)酵液、每1h傳給冷卻器的最大熱量約為4.18×6000kJ/(m3·h)。采納豎式蛇管換熱器，取經(jīng)驗(yàn)值K=4.18×500kJ/(m3·h·℃)。平均溫差Δtm：32℃32℃20℃27℃125代入對(duì)公稱容量200m3的發(fā)酵罐，每天裝5罐，每罐實(shí)際裝液量為換熱面積（5）攪拌器計(jì)算選用六彎葉渦輪攪拌器。該攪拌器的各部分尺寸與罐徑D有一定比例關(guān)系攪拌器葉徑取d=1.7（m）葉寬：弧長(zhǎng)：底距：盤(pán)踞：葉弦長(zhǎng)：葉距：彎葉板厚：δ=12（mm）取兩擋攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N2可依照50m3罐，攪拌直徑1.05m，轉(zhuǎn)速N1=110r/min。以等P0/V為基準(zhǔn)[6]放大求得：（6）攪拌軸功率的計(jì)算淀粉水解糖液低濃度細(xì)菌醪，可視為牛頓流體。①計(jì)算Rem[8]式中D——攪拌器直徑，D=1.7mN——攪拌器轉(zhuǎn)速，ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3μ——醪液粘度，μ=1.3×10-3N·s/m2將數(shù)代入上式：視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)Np=4.7②計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌軸功率P0：式中Np——在湍流攪拌狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù)4.7N——攪拌轉(zhuǎn)速，N=80r/min=1.33r/sD——攪拌器直徑，D=1.7mρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3代入上式：兩擋攪拌：③計(jì)算通風(fēng)時(shí)的軸功率Pg式中P0——不通風(fēng)時(shí)攪拌軸功率（kW），N——軸轉(zhuǎn)速，N=80r/minD——攪拌器直徑（cm），D3=1.73×106=4.9×106Q——通風(fēng)量（ml/min），設(shè)通風(fēng)比VVm=0.11~0.18，取低限，如通風(fēng)量變大，Pg會(huì)小，為安全。現(xiàn)取0.11；則Q=155×0.11×106=1.7×107（ml/min）代入上式：④求電機(jī)功率P電：采納三角帶傳動(dòng)η1=0.92；滾動(dòng)軸承η2=0.99，滑動(dòng)軸承η3=0.98；端面密封增加功率為1%；代入公式數(shù)值得：（7）設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝計(jì)算①空氣分布器：本罐采納單管進(jìn)風(fēng)，風(fēng)管直徑φ133×4mm。②擋板：本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設(shè)擋板③密封方式：本罐采納雙面機(jī)械密封方式，處理軸與罐的動(dòng)靜問(wèn)題。④冷卻管布置：采納豎式蛇管Ⅰ最高負(fù)荷下的耗水量W式中Q總——每1m3醪液在發(fā)酵最旺盛時(shí)，1h的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積cp——冷卻水的比熱容，4.18kJ/（kg·K）t2——冷卻水終溫，t2=27℃t1——冷卻水初溫，t1=20℃將各值代入上式冷卻水體積流量為3.69×10-2m3/s，取冷卻水在豎直蛇管中的流速為1m/s，依照流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積S總為：式中W——冷卻水體積流量，W=3.69×10-2m3/sV——冷卻水流速，v=1m/s代入上式：進(jìn)水總管直徑：Ⅱ冷卻管組數(shù)和管徑：設(shè)冷卻管總表面積為S總，管徑d0，組數(shù)為n，則：取n=8，求管徑。由上式得：查金屬材料表選取φ89×4mm無(wú)縫管[9]，，，認(rèn)為可滿足要求，。現(xiàn)取豎蛇管圈端部U型彎管曲徑為300mm，則兩直管距離為600mm，兩端彎管總長(zhǎng)度為：Ⅲ冷卻管總長(zhǎng)度L計(jì)算：由前知冷卻管總面積現(xiàn)取無(wú)縫鋼管φ89×4mm，每米長(zhǎng)冷卻面積為則:冷卻管占有體積：Ⅳ每組管長(zhǎng)L0和管組高度：另需連接管8m：可排豎式直蛇管的高度，設(shè)為靜液面高度，下部可伸入封頭250mm。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為0.5m3，則：總占有體積為則筒體部分液深為：豎式蛇管總高又兩端彎管總長(zhǎng)，兩端彎管總高為600mm，則直管部分高度：則一圈管長(zhǎng)：Ⅴ每組管子圈數(shù)n0：現(xiàn)取管間距為，豎蛇管與罐壁的最小距離為0.15m，則可計(jì)算出攪拌器的距離在同意范圍內(nèi)（不小于200mm）。Ⅵ.校核布置后冷卻管的實(shí)際傳熱面積：而前有F=232.5m2，，可滿足要求。（8）設(shè)備材料的選擇[10]選用A3鋼制作，以降低設(shè)備費(fèi)用。（9）發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算①計(jì)算法確定發(fā)酵罐的壁厚S（cm）式中P——設(shè)計(jì)壓力，取最高工作壓力的1.05倍，現(xiàn)取P=0.4MPaD——發(fā)酵罐內(nèi)經(jīng)，D=500cm〔σ〕——A3鋼的應(yīng)用應(yīng)力，〔σ〕=127MPaφ——焊接縫隙，φ=0.7C——壁厚附加量（cm）式中C1——鋼板負(fù)偏差，現(xiàn)取C1=0.8mmC2——為腐蝕余量，現(xiàn)取C2=2mmC3——加工減薄量，現(xiàn)取C3=0選用14mm厚A3鋼板制作。②封頭壁厚計(jì)算：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的厚度計(jì)算公式[5]如下：（cm）式中P=0.4MPaD=500cm〔σ〕=127MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）φ=0.7（10）接管設(shè)計(jì)①接管的長(zhǎng)度h設(shè)計(jì)：各接管的長(zhǎng)度h依照直徑大小和有無(wú)保溫層，一般取100~200mm。②接管直徑的確定：按排料管計(jì)算：該罐實(shí)裝醪量155m3，設(shè)4h之內(nèi)排空，則物料體積流量發(fā)酵醪流速取v=1m/s;則排料管截面積為F物。管徑：取無(wú)縫管φ133×4mm，125.mm〉118mm，認(rèn)為合適。按通風(fēng)管計(jì)算，壓縮空氣在0.4MPa下，支管氣速為20~25m/s。現(xiàn)通風(fēng)比0.1~0.18vvm，為常溫下20℃，0.1MPa下的情況，要折算0.4MPa、30℃狀態(tài)。風(fēng)量Q1取大值，。利用氣態(tài)方程式計(jì)算工作狀態(tài)下的風(fēng)量Qf[8]取風(fēng)速v=25m/s，則風(fēng)管截面積Ff為則氣管直徑d氣為：因通風(fēng)管也是排料管，故取兩者的大值。取φ133×4mm無(wú)縫管，可滿足工藝要求。排料時(shí)刻復(fù)核：物料流量Q=0.0108m3/s，流速v=1m/s；管道截面積：，在相同的流速下，流過(guò)物料因管徑較原來(lái)計(jì)算結(jié)果大，則相應(yīng)流速比為排料時(shí)刻：（11）支座選擇選用裙式支座2.4.2種子罐發(fā)酵所需的種子從試管斜面動(dòng)身，經(jīng)活化培養(yǎng)，搖瓶培養(yǎng)，擴(kuò)大至一級(jí)乃至二級(jí)種子罐培養(yǎng)，最終向發(fā)酵罐提供足夠數(shù)量的健壯的生產(chǎn)種子。種子罐冷卻方式采納夾套冷卻。（1）二級(jí)種子罐容積和數(shù)量的確定①二級(jí)種子罐容積的確定：接種量為10%計(jì)算，則種子罐容積V種2為：式中V總——發(fā)酵罐總?cè)莘e（m3）②二級(jí)種子罐個(gè)數(shù)的確定：種子罐與發(fā)酵罐對(duì)應(yīng)上料。發(fā)酵罐平均每天上5罐，需二級(jí)種子罐6個(gè)。種子罐培養(yǎng)8h，輔助操作時(shí)刻8~10h，生產(chǎn)周期16~18h，因此，二級(jí)種子罐6個(gè)已足夠，其中一個(gè)備用。③要緊尺寸的確定種子罐仍采納幾何相似的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。H：D=2：1，則種子罐總?cè)莘e量V'總為：簡(jiǎn)化方程如下：整理后解方程得D=2.3m則H=2D=2×2.3=4.6（m）查得封頭高H'封罐體總高H'罐：?jiǎn)蝹€(gè)封頭容量：V'封=4.125（m3）封頭表面積：S封=2.23m2圓筒容量：不計(jì)上封頭容積：校核種子罐總?cè)莘eV'總：比需要的種子罐容積23m3大，可滿足設(shè)計(jì)要求。④冷卻面積的計(jì)算采納夾套冷卻Ⅰ發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量：Ⅱ夾套傳熱系數(shù)：現(xiàn)取K=4.18×220kJ/（m2·h·℃）Ⅲ平均溫差：發(fā)酵溫度32℃；水初溫20~23℃，取23℃；水終溫27℃，則平均溫差：Ⅳ需冷卻面積F：Ⅴ核算夾套冷卻面積：按靜止液深確定夾套高度：靜止液體浸沒(méi)筒體高度：液深：夾套可能實(shí)現(xiàn)的冷卻面積為封頭表標(biāo)面積S封與圓筒被液體浸沒(méi)的筒體為表面積S筒之和：夾套高度應(yīng)不高于動(dòng)態(tài)時(shí)的液面高度，因高于液面的傳熱面積，并沒(méi)有起多少冷卻作用。綜上，傳熱需要的面積F=12.1(m2)該設(shè)計(jì)夾套能提供的冷卻面積為S夾=13.6m2S夾〉F，可滿足工藝要求。⑤設(shè)備材料的選擇采納A3鋼制作⑥壁厚計(jì)算Ⅰ夾套內(nèi)罐的壁厚式中D——設(shè)備的公稱直徑，140cmm——外壓容器的穩(wěn)定系數(shù)，與設(shè)備的起始橢圓度有關(guān)，在我國(guó)，m=3P——設(shè)計(jì)壓力，與水壓有關(guān)，P=0.4MPaE——金屬材料的彈性模量[9]，對(duì)A3鋼E=2×105MPaC——壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18L——筒體長(zhǎng)度，L=110cm將數(shù)值代入公式：取9mmⅡ封頭的厚度δ封：查《發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論》P317表16碳鋼橢圓封頭最大需用內(nèi)部壓力i關(guān)于上封頭，取δ封=6mmii關(guān)于下封頭，取δ封=8mmⅢ冷卻外套壁厚：查《發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論》P314表13碳鋼與普低鋼制內(nèi)壓圓筒壁厚，確定δ套=5mmⅣ外套封頭壁厚：查《發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論》P316表15橢圓形封頭（JBH54—73），確定δ套封=6mm⑦設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)Ⅰ擋板：依照全擋板條件，式中B——擋板寬度B＝（0.1-0.12）D=0.1×1400=140mmD——罐徑D＝1400mmZ——擋板數(shù)：取Z＝6塊Ⅱ攪拌器：采納六彎葉渦輪攪拌器直徑：Di＝0.3~0.35D現(xiàn)?。喝~片寬度：弧長(zhǎng)：盤(pán)徑：葉弦長(zhǎng)：攪拌器間距：底距：攪拌器轉(zhuǎn)速N2，依照50L罐，470r/min，使用P0/V為基準(zhǔn)放大[6]，50L 罐N1＝470r/min，攪拌器直徑Di=112mm兩擋攪拌。Ⅲ攪拌軸功率的計(jì)算淀粉水解糖液低濃度細(xì)菌醪，可視為牛頓流體。i計(jì)算Rem[8]式中D——攪拌器直徑，D=0.49mN——攪拌器轉(zhuǎn)速，ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3μ——醪液粘度，μ=1.3×10-3N·s/m2將數(shù)代入上式：視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)Np=4.7ii計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌軸功率P0：式中Np——在湍流攪拌狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù)4.7N——攪拌轉(zhuǎn)速，N=176r/min=2.93r/sD——攪拌器直徑，D=0.49mρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3代入上式：兩擋攪拌iii計(jì)算通風(fēng)時(shí)的軸功率Pg式中P0——不通風(fēng)時(shí)攪拌軸功率（kW），N——軸轉(zhuǎn)速，N=176r/minD——攪拌器直徑（cm），D3=0.493×106=1.12×105Q——通風(fēng)量（ml/min），設(shè)通風(fēng)比VVm=0.11~0.18，取低限，如通風(fēng)量變大，Pg會(huì)小，為安全?，F(xiàn)取0.11；則Q=3.1×0.11×106=3.41×105（ml/min）代入上式：iv求電機(jī)功率P電：采納三角帶傳動(dòng)η1=0.92；滾動(dòng)軸承η2=0.99，滑動(dòng)軸承η3=0.98；端面密封增加功率為1%；代入公式數(shù)值得：Ⅳ進(jìn)風(fēng)管：該管距罐底25~60mm之間，現(xiàn)取30mm向下單管。通風(fēng)管管徑計(jì)算：設(shè)罐壓0.4MPa，發(fā)酵溫度t=32℃，風(fēng)速v=20m/s，通風(fēng)量為0.18VVm，常壓下t0=20℃，送風(fēng)量V為：將通風(fēng)換算成工作狀態(tài)，求通風(fēng)管直徑d1圓整，查《發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論》，P313表12，無(wú)縫鋼管(YB231-70)，管徑采納25×3mm,內(nèi)徑25-2×3=19mm大于12mm，可滿足生產(chǎn)要求。Ⅵ進(jìn)出物料管：該管為物料進(jìn)口，管底距罐底25~60mm之間，現(xiàn)取30mm向下單管。按輸送物料算：20min送完3.1m3物料則物料流量為管道截面為F，物料流速為v=0.5~1m/s，現(xiàn)取v=0.5m/s，則：設(shè)管徑為：圓整，查《發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論》，P313表12，無(wú)縫鋼管(YB2