生物技術(shù)專業(yè)課程設(shè)計(jì) 年產(chǎn)30000噸味精發(fā)酵罐設(shè)計(jì)

專業(yè)課程設(shè)計(jì)年產(chǎn)30000噸味精發(fā)酵罐設(shè)計(jì)1、中文摘要味精是烹飪中常用的一種鮮味調(diào)味品，主要以發(fā)酵法生產(chǎn)。本論文以年產(chǎn)30000噸為規(guī)模，針對(duì)味精發(fā)酵生產(chǎn)過程中最主要的設(shè)備發(fā)酵罐進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)和選型。本論文設(shè)計(jì)分發(fā)酵罐空罐滅菌蒸汽用量計(jì)算和發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與選型兩個(gè)部分，包括發(fā)酵罐型的選擇和發(fā)酵罐罐體的尺寸、各部結(jié)構(gòu)、攪拌功率、壁厚和容積等計(jì)算，并繪制了發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖和發(fā)酵設(shè)備圖。【abstract】M【關(guān)鍵詞】：味精發(fā)酵罐設(shè)計(jì)選型

2、目錄1、中文摘要 22、目錄 33、前言 44、發(fā)酵生產(chǎn)工藝及流程（發(fā)酵菌株、生產(chǎn)條件、原料、工藝流程等） 4味精生產(chǎn)工藝 44.1.1發(fā)酵菌株 44.1.2生產(chǎn)原料【3】 44.1.3培養(yǎng)基制備[5] 44.1.4味精發(fā)酵生產(chǎn)影響條件 54.1.5味精生產(chǎn)工藝概述[6] 55、發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)條件（發(fā)酵罐主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果） 75、罐體幾何尺寸的確定、罐體主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 7發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)條件及主要技術(shù)指標(biāo) 7罐體選型、幾何尺寸的確定、罐體主要部件尺寸、生產(chǎn)能力的設(shè)計(jì)計(jì)算 8發(fā)酵罐的選型 85.2.2發(fā)酵罐生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定 85.2.3罐體主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算 106、冷卻裝置設(shè)計(jì) 146.1冷卻方式 146.2裝液量 14冷卻水耗量 146.4冷卻面積的確定 157、發(fā)酵罐設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會(huì) 15參考文獻(xiàn)及資料 163、前言味精是調(diào)味料的一種，主要成分為谷氨酸鈉。味精的主要作用是增加食品的鮮味，在中國菜里用的最多，也可用于湯和調(diào)味汁。味精是人們熟悉的鮮味劑，是L—谷氨酸單鈉鹽(Monosodiumglutamate)的一水化合物(HOOC-CH2CH(NH2)-COONa·H20)，具有旋光性，有D—型和L—型兩種光學(xué)異構(gòu)體。味精具有很強(qiáng)的鮮味(閾值為0.03%)，現(xiàn)已成為人們普遍采用的鮮味劑，其消費(fèi)量在國內(nèi)外均呈上升趨勢(shì)。谷氨酸發(fā)酵是通氣發(fā)酵，也是我國目前通氣發(fā)酵產(chǎn)業(yè)中，生產(chǎn)廠家最多、產(chǎn)品產(chǎn)量最大的產(chǎn)業(yè)。1987年3月，聯(lián)合國糧農(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［2］。早期味精是由酸法水解蛋白質(zhì)進(jìn)行制造的，自從1956年日本協(xié)和發(fā)酵公司用發(fā)酵法生產(chǎn)以后，發(fā)酵法生產(chǎn)迅速發(fā)展，目前世界各國均以此法進(jìn)行生產(chǎn)。我設(shè)計(jì)的是一臺(tái)200M3的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐,4、發(fā)酵生產(chǎn)工藝及流程（發(fā)酵菌株、生產(chǎn)條件、原料、工藝流程等）4發(fā)酵菌株[3]現(xiàn)有谷氨酸生產(chǎn)菌分屬于棒狀桿菌屬、短桿菌屬、小桿菌屬及節(jié)桿菌屬。目前工業(yè)上應(yīng)用的谷氨酸產(chǎn)生菌有谷氨酸棒狀桿菌、乳糖發(fā)酵短桿菌、散枝短桿菌、黃色短桿菌、噬氨短桿菌等。目前國內(nèi)各味精廠所使用的谷氨酸生產(chǎn)菌主要有（1）純齒棒狀桿菌AS1.542及其誘變株B9、B9-17-36、F-263等菌株；（2）天津短桿菌T613、及其誘變株FM-415、CMTC6282、S9114等菌株；（3）北京棒桿菌AS1.229及其誘變株D110等菌株。4生產(chǎn)原料谷氨酸生產(chǎn)時(shí)發(fā)酵原料的選擇原則[4]：首先考慮菌體生長(zhǎng)繁殖的營(yíng)養(yǎng)；考慮到有利于谷氨酸的大量積累；還要考慮原料豐富，價(jià)格便宜；發(fā)酵周期短，產(chǎn)品易提取等因素。目前谷氨酸生產(chǎn)上多采用尿素為氮源，采用分批流加，以生物素為生長(zhǎng)因子。國內(nèi)大多數(shù)廠家用淀粉為發(fā)酵原料，主要有玉米、小麥、甘薯、大米等，其中甘薯的淀粉最為常用。少數(shù)廠家用糖蜜為發(fā)酵原料，主要有甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。4培養(yǎng)基制備[5]斜面培養(yǎng)基：葡萄糖0.1%、牛肉膏0.5%、蛋白胨1.0%、氯化鈉0.5%、瓊脂2.0%、PH7.0~7.2。一級(jí)種子培養(yǎng)基：葡萄糖2.5%、尿素0.6%、KH2PO40.1%、MgSO4?7H2O0.04%、玉米漿2.3~3.0ml、pH7.0。二級(jí)種子培養(yǎng)基：水解糖12~14%、尿素0.5~0.8%、玉米漿0.5~0.6ml、KH2PO40.1~0.2%、MgSO4?7H2O0.04%、pH7.0。發(fā)酵培養(yǎng)基：水解糖12~14、尿素0.5~0.8%、玉米漿0.6ml、MgSO4?7H2O0.06%、KCl0.05%、Na2HPO40.17%、pH7.0。4味精發(fā)酵生產(chǎn)影響條件（1）氧，谷氨酸產(chǎn)生菌是好氧菌，通風(fēng)和攪拌不僅會(huì)影響菌種對(duì)氮源和碳源的利用率，而且會(huì)影響發(fā)酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在發(fā)酵后期，加大通氣量有利于谷氨酸的合成。（2）溫度，菌種生長(zhǎng)的最適溫度為30～32℃。當(dāng)菌體生長(zhǎng)到穩(wěn)定期，適當(dāng)提高溫度有利于產(chǎn)酸，因此，在發(fā)酵后期，可將溫度提高到34～37℃。（3）pH，谷氨酸產(chǎn)生菌發(fā)酵的最適pH在7.0～8.0。但在發(fā)酵過程中，隨著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用，代謝產(chǎn)物的積累，培養(yǎng)液的pH會(huì)不斷變化。如隨著氮源的利用，放出氨，pH會(huì)上升；當(dāng)糖被利用生成有機(jī)酸時(shí)，pH會(huì)下降。（4）磷酸鹽，它是谷氨酸發(fā)酵過程中必需的，但濃度不能過高，否則會(huì)轉(zhuǎn)向纈氨酸發(fā)酵。發(fā)酵結(jié)束后，常用離子交換樹脂法等進(jìn)行提取。（5）生物素，當(dāng)生物素缺乏時(shí)，菌種生長(zhǎng)十分緩慢；當(dāng)生物素過量時(shí)，則轉(zhuǎn)為乳酸發(fā)酵。因此，一般將生物素控制在亞適量條件下，才能得到高產(chǎn)量的谷氨酸。4味精生產(chǎn)工藝概述[6]味精生產(chǎn)全過程可劃分為四個(gè)工藝階段:(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)工藝階段相對(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主要生產(chǎn)車間。另外，為保障生產(chǎn)過程中對(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、過濾系統(tǒng)處理，通過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)的總工藝流程如圖：味精發(fā)酵法生產(chǎn)的總工藝流程見圖1。水解過濾淀粉水解糖配料水解過濾淀粉水解糖配料種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)原料預(yù)處理原料空氣空氣壓縮機(jī)冷卻氣液分離過濾除菌斜面培養(yǎng)搖瓶擴(kuò)大培養(yǎng)菌種預(yù)處理預(yù)處理濃縮結(jié)晶離心小結(jié)晶干燥拌鹽粉碎粉狀味精大結(jié)晶干燥過濾成品味精濃縮結(jié)晶離心小結(jié)晶干燥拌鹽粉碎粉狀味精大結(jié)晶干燥過濾成品味精過濾脫色除鐵中和制味精沉淀粗谷氨酸中和制味精沉淀粗谷氨酸除鐵過濾淀粉水解糖配料種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)過濾過濾淀粉水解糖配料種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)過濾淀粉水解糖配料種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)除鐵過濾過濾種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)脫色脫色發(fā)酵發(fā)酵等電點(diǎn)調(diào)節(jié)等電點(diǎn)調(diào)節(jié)離心離心溶解溶解中和制味精沉淀粗谷氨酸沉淀粗谷氨酸母液粗谷氨酸中和制味精沉淀粗谷氨酸沉淀粗谷氨酸母液粗谷氨酸粗谷氨酸離子交換處理沉淀離子交換處理沉淀粗谷氨酸溶液中和制味精粗谷氨酸溶液中和制味精圖1味精生產(chǎn)總工藝流程圖5、發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)條件（發(fā)酵罐主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果）5、罐體幾何尺寸的確定、罐體主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)條件及主要技術(shù)指標(biāo)根據(jù)常識(shí)，一個(gè)良好的發(fā)酵罐應(yīng)滿足下列要求：①結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，經(jīng)得起蒸汽的反復(fù)滅菌，內(nèi)壁光滑，耐腐性好，以利于滅菌徹底和減小金屬離子對(duì)生物反應(yīng)的影響；②有良好的氣-液-固接觸和混合性能以及高效的熱量、質(zhì)量、動(dòng)量傳遞性能；③在保持生物反應(yīng)要求的前提下，降低能耗；④有良好的熱量交換性能，以維持生物反應(yīng)最是溫度；⑤有可行的管道比例和儀表控制，適用于滅菌操作和自動(dòng)化控制。表5-1發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)條件項(xiàng)目及代號(hào)參數(shù)及結(jié)果備注發(fā)酵產(chǎn)品味精工作壓力由任務(wù)書確定設(shè)計(jì)壓力由任務(wù)書確定發(fā)酵溫度（工作溫度）33根據(jù)任務(wù)書選取設(shè)計(jì)溫度150由工藝條件確定冷卻方式蛇管冷卻由工藝條件確定發(fā)酵液密度由工藝條件確定發(fā)酵液黏度由工藝條件確定罐體選型、幾何尺寸的確定、罐體主要部件尺寸、生產(chǎn)能力的設(shè)計(jì)計(jì)算發(fā)酵罐的選型選用機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。發(fā)酵罐生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定5.2.2.1發(fā)酵罐容積的確定：根據(jù)工藝參數(shù)和高徑比確定各部幾何尺寸；高徑比H/D=2.5，則D初步選用公稱容積為200m3的發(fā)酵罐。公稱體積V－－罐的筒身（圓柱）體積和底封頭體積之和全體積V0－－公稱體積和上封頭體積之和。封頭體積（近似公式）根據(jù)設(shè)計(jì)條件發(fā)酵罐的公稱體積為200M3(1)發(fā)酵罐的全容積：則有：………………eq\o\ac(○,1)……………………eq\o\ac(○,2)解方程得：(2)罐體直徑D=4.697m，(3)罐體總高度×=，(4)封頭高：(5)封頭容積：V封=（m3）(6)圓柱部分容積：V筒=197驗(yàn)算全容積V全：V全=V’全符合設(shè)計(jì)要求，可行。表5-3200m3發(fā)酵罐的幾何尺寸項(xiàng)目及代號(hào)參數(shù)及結(jié)果備注公稱體積200設(shè)計(jì)條件全體積230計(jì)算罐體直徑5000計(jì)算發(fā)酵罐總高12600計(jì)算發(fā)酵罐筒體高度10000計(jì)算攪拌葉直徑1700計(jì)算橢圓封頭容積計(jì)算封頭高度1300計(jì)算圓柱部分容積197計(jì)算發(fā)酵罐內(nèi)徑5000計(jì)算5.2.2.2每天需糖液體積V糖為：若取發(fā)酵罐的填充系數(shù)=75%，則每天需要發(fā)酵罐總?cè)莘eV0為：.2.3發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定：公稱容積為200m3的發(fā)酵罐，其全容積為230m3。每日需要的發(fā)酵罐數(shù)N0為：共需要的發(fā)酵罐數(shù)N1為：每天應(yīng)有4個(gè)發(fā)酵罐出料，共需要7個(gè)發(fā)酵罐。.4實(shí)際產(chǎn)量驗(yàn)算：設(shè)備富余量為：能滿足生產(chǎn)要求。5.2.3罐體主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算5.2.3.1罐體考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材料，封頭結(jié)構(gòu)、與罐體連接方式。設(shè)計(jì)計(jì)算須按GB150-1998《鋼制壓力容器》進(jìn)行。5.2.3.2罐體壁厚內(nèi)壓圓筒厚度計(jì)算：式中δ—圓筒的設(shè)計(jì)厚度，mmp—[4]Di—圓筒的內(nèi)直徑，Di=5000mm[4][σ]T—設(shè)計(jì)溫度下圓筒材料的許應(yīng)用力，[σ]T[4]φ—焊縫系數(shù)，φ[4]C1—鋼板的厚度負(fù)偏差，C1=[4]C2—腐蝕裕量，C2=1mm[4]將各值代入上式查表可選用12mm厚的碳鋼鋼板。查表知：公稱直徑為5000mm，壁厚為12mm，1m高筒節(jié)鋼板質(zhì)量為1483kg。5.2.3.3封頭壁厚計(jì)算D－罐體直徑（mm）p－耐受壓強(qiáng)(取MPa)Di—圓筒的內(nèi)直徑，Di=5000mm[4]φ－焊縫系數(shù)，雙面焊取0.9[σ]T[4][σ]－設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（16MnR鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150℃，170MPa）

查表可選用10mm厚的碳鋼鋼板5.2.3.4攪拌器[8]圖圖5-2-3-4六平葉圓盤渦輪攪拌器采用渦輪式攪拌器，選擇攪拌器種類和攪拌器層數(shù)，根據(jù)d確定h和b的值尺寸：六平葉渦輪式攪拌器已標(biāo)準(zhǔn)化，稱為標(biāo)準(zhǔn)型攪拌器；攪動(dòng)液體的循環(huán)量大，攪拌功率消耗也大；查閱文獻(xiàn)[9]可知200發(fā)酵罐采用圖5-2-3-4彎葉式攪拌葉葉徑，則可以計(jì)算出盤徑：葉寬：弧長(zhǎng)：底距：葉弦長(zhǎng)：葉距以單位體積液體所分配的攪拌軸功率相同這一準(zhǔn)則進(jìn)行的反應(yīng)器的放大，即：式中n2——放大的攪拌器的轉(zhuǎn)速，r/minn1——模型攪拌器的轉(zhuǎn)速，n=110r/mind1——模型攪拌器直徑，d=d2——放大的攪拌器直徑，d=將各值代入上式取兩檔攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速79.78r/min。.5儀表接口溫度計(jì)：裝配式熱電阻溫度傳感器Pt100型，開在罐身上；壓力表：彈簧管壓力表（徑向型），精度2.5，型號(hào)：，開在封頭上；液位計(jì)：采用標(biāo)準(zhǔn)：型號(hào)：，開在罐身上；溶氧探頭：；pH探頭：型；5.2.3.6擋板本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設(shè)擋板。5.2.3.7人孔和視鏡[10]人孔的設(shè)置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設(shè)備內(nèi)部的裝置。本次設(shè)計(jì)只設(shè)置了1個(gè)人孔，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為：人孔R(shí)FⅡ（R·G）450-0.6HG21522-1995，公稱直徑450，開在頂封頭上，位于左邊軸線離中心軸750mm處視鏡用于觀察發(fā)酵罐內(nèi)部的情況。本次設(shè)計(jì)只設(shè)置了2視鏡，直徑為DN80，開在頂封頭上，位于前后軸線離中心軸750mm處，標(biāo)記為視鏡ⅡPN1.0DN80HGJ501-86-17.8管道接口（采用法蘭接口）進(jìn)料口：直徑，開在封頭上，排料口：，開在罐底；進(jìn)氣口：，開在封頭上；排氣口：，開在封頭上；冷卻水進(jìn)、出口：，開在罐身；補(bǔ)料口：，開在封頭上；取樣口：，開在封頭上；5.2.3.9其他接管設(shè)計(jì)5.2.3.9.1接管的長(zhǎng)度h各接管的長(zhǎng)度h根據(jù)直徑大小和有無保溫層，一般取100~200mm。.3.9.2接管直徑的確定按排料管計(jì)算：該罐實(shí)醪料量m3，設(shè)2h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B物則排料管直徑d為管徑[9]：取無縫管查表選取Φ194×6無縫管，d內(nèi)=182mm，d平均=188mm。認(rèn)為合適。.9.3氣管直徑的確定按通風(fēng)管計(jì)算,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取風(fēng)速v=20m/s，則風(fēng)管截面積Ff為則氣管直徑d氣為：查表選取Φ133×4無縫管,d內(nèi)=125mm,d平均=129mm。因通風(fēng)管也是排料管，故取兩者的大值。即取Φ194×6無縫管，可滿足工藝要求?？蓾M足工藝要求。.9.4排料時(shí)間復(fù)核物料流量m3/s，流速v=1m/s；管道截面積：在相同的流速下，流過物料因管徑較原來計(jì)算結(jié)果大，則相應(yīng)流速比為排料時(shí)間：6、冷卻裝置設(shè)計(jì)冷卻方式發(fā)酵罐容量大，罐體的比表面積小。夾套不能滿足冷卻要求，使用蛇管冷卻，綜合比較列管的冷卻效果好，在使用水作冷卻介質(zhì)時(shí)，選用列管。裝液量設(shè)計(jì)發(fā)酵罐裝料系數(shù)：取75%發(fā)酵罐裝料液體積：230m3灌裝液量為：冷卻水耗量由實(shí)際情況選用進(jìn)出口水溫為℃、℃，則式中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=26