年產(chǎn)10萬(wàn)噸味精廠發(fā)酵車間設(shè)計(jì)

年產(chǎn)10萬(wàn)噸味精廠發(fā)酵車間設(shè)計(jì)PAGEPAGE2年產(chǎn)10萬(wàn)噸味精廠發(fā)酵車間設(shè)計(jì)南陽(yáng)理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)年產(chǎn)10萬(wàn)噸味精廠發(fā)酵車間設(shè)計(jì)AnnualProductionCapacityof100,000TonsofMonosodiumGlutamateFermentationPlantDesignWorkshop學(xué)院：生物與化學(xué)工程學(xué)院專業(yè)：生物化學(xué)專業(yè)學(xué)生姓名：*****學(xué)號(hào)：****指導(dǎo)教師：李杰（講師）完成日期：2009.5南陽(yáng)理工學(xué)院NanyangInstituteofTechnology年產(chǎn)10萬(wàn)噸味精廠發(fā)酵車間設(shè)計(jì)生物工程專業(yè)****[摘要］本設(shè)計(jì)的題目是年產(chǎn)10萬(wàn)噸味精廠發(fā)酵車間設(shè)計(jì)，在熟悉味精及其生產(chǎn)的基礎(chǔ)上通過(guò)比較不同工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，確定能滿足生產(chǎn)任務(wù)的先進(jìn)、合理的工藝流程。根據(jù)所采用的工藝流程、該工藝對(duì)原料的利用情況確定滿足生產(chǎn)任務(wù)所需原料的量，然后確定所采用的設(shè)備類型、結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)進(jìn)行所需水的衡算，同時(shí)確定培養(yǎng)基滅菌流程，然后進(jìn)行所需設(shè)備的選型和計(jì)算，最后進(jìn)行發(fā)酵車間的設(shè)備布置，并制作工藝流程圖和設(shè)備布置圖。[關(guān)鍵詞]味精物料衡算發(fā)酵車間設(shè)計(jì)設(shè)備選型PAGE39AnnualProductionCapacityof100,000TonsofMonosodiumGlutamateFermentationPlantDesignWorkshopBiologicalEngineeringMajorLITingAbstract：Thisdesignisthesubjectofanannualoutputof100,000tonsofmonosodiumglutamatefermentationplantdesignworkshop,inafamiliarandmonosodiumglutamateproductionbasedoncomparativeadvantagesanddisadvantagesofdifferentprocessestodeterminetheproductiontaskstomeettheadvancedandreasonableprocess.Accordingtotheprocessusedintheprocessofutilizationofrawmaterialstomeetproductionrequirementstodeterminetheamountofrawmaterials,andthenusedtodeterminethetypeofequipment,structure,size,atthesametimetocarryoutthenecessarybalanceofwaterandsteambalance,atthesametimetodeterminemediumsterilizationprocesses,thenecessaryequipmentandthenproceedtotheselectionandcalculationofthefinalfermentationworkshopequipmentlayout,andproductionprocessflowdiagramandequipmentlayout.Keywords：Monosodiumglutamatematerialbalancefermentationworkshopdesignequipmentselection目錄TOC\o"1-3"\u前言 11味精生產(chǎn)工藝 31.1工藝選擇 31.2原料選擇 41.3菌種選擇 41.4培養(yǎng)基選擇 42工藝設(shè)計(jì) 62.1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 72.2無(wú)菌空氣消耗量的計(jì)算 92.2.1無(wú)菌空氣消耗量計(jì)算的意義 92.2.2無(wú)菌空氣消耗量計(jì)算 92.3設(shè)備的設(shè)計(jì)選型 112.3.1專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)選型 112.3.2連續(xù)操作設(shè)備的計(jì)算和選型 252.3.3非專業(yè)設(shè)備的計(jì)算和選型 282.4味精廠發(fā)酵車間設(shè)備一覽表 302.5車間設(shè)計(jì)布置原則 312.6車間布置相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求 322.7設(shè)備布置說(shuō)明 33結(jié)論 35參考文獻(xiàn) 36致謝 37前言味精是人們熟悉的鮮味劑，是世界上應(yīng)用范圍最廣、產(chǎn)銷量最大的一種氨基酸類物質(zhì)，是發(fā)酵工業(yè)和調(diào)味工業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。味精的化學(xué)成分是谷氨酸鈉,為白色透明有光澤的八面柱狀結(jié)晶體。易溶于水，不溶于純酒精、醚及丙酮等有機(jī)溶劑，對(duì)光穩(wěn)定，中性條件下水溶液加熱也不分解，一般情況下無(wú)毒性。味精是重要的調(diào)味品之一，作為調(diào)味品的市售味精，為干燥顆?；蚍勰?，因含一定量的食鹽而稍有吸濕性，貯放應(yīng)密閉防潮。商品味精中的谷氨酸鈉含量分別有90%、80%、70%、60%等不同規(guī)格，以80%最為常見(jiàn)，其余為精鹽，食鹽起助鮮作用兼作填充劑。市場(chǎng)也有不含鹽的顆粒較大的“結(jié)晶味精”。據(jù)研究：味精可以增進(jìn)人們的食欲，提高人體對(duì)其他各種食物的吸收能力，對(duì)人體有一定的滋補(bǔ)作用。其攝入體內(nèi)后可分解成谷氨酸、酪氨酸，對(duì)人體健康有益。但過(guò)多的食用味精就會(huì)出現(xiàn)一些不良反應(yīng)，如頭昏眼花，眼球突出，上肢麻木，下頜發(fā)抖，心慌氣喘，暈眩無(wú)力等表現(xiàn)。因此，在烹制食品時(shí)，放入味精宜適量[1]。味精是世界上應(yīng)用范圍最廣、產(chǎn)銷量最大的一種氨基酸類物質(zhì),是發(fā)酵工業(yè)和調(diào)味工業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。主要生產(chǎn)國(guó)家和地區(qū)有中國(guó)、韓國(guó)、日本、印尼、泰國(guó)、法國(guó)、巴西和我國(guó)臺(tái)灣等地，其中，亞洲的味精產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的90％，而我國(guó)又是世界上最大的味精生產(chǎn)國(guó)之一。就人均消費(fèi)量來(lái)看，我國(guó)味精消費(fèi)主要在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。據(jù)估計(jì)，北京市年消費(fèi)達(dá)1.5萬(wàn)噸。因而預(yù)期味精需求將有進(jìn)一步的增長(zhǎng)，我國(guó)和世界部分地區(qū)味精產(chǎn)品的消費(fèi)潛力很大，市場(chǎng)前景看好，為我國(guó)發(fā)展味精工業(yè)提供了先決條件。我國(guó)味精的生產(chǎn)，從技術(shù)水平上看，與國(guó)外還有不小的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①菌種性能，我國(guó)平均產(chǎn)酸水平5～6%，日本10～14%，糖酸轉(zhuǎn)化率，我國(guó)45％左右，而日本則在50～60％左右；②工藝和過(guò)程控制，我國(guó)普遍采用底糖或中糖發(fā)酵，而日本已采用高糖并實(shí)行流加糖工藝；③生產(chǎn)規(guī)模，我國(guó)生產(chǎn)規(guī)模普遍較?。虎芪廴?，國(guó)外已普遍對(duì)味精廢液進(jìn)行了綜合利用，我國(guó)在培養(yǎng)單細(xì)胞蛋白方面取得了一定的成功。經(jīng)過(guò)近年來(lái)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和技術(shù)改進(jìn)，縮短了我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)水平的差距。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:（1）技術(shù)提高。谷氨酸平均產(chǎn)酸率從4.58%提高至8.46%，糖酸轉(zhuǎn)化率從38.24%提高到54.07%，提取率從77.87%提高到89.22%，精制率得從89.51%提高到93.50%。均已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。（2）發(fā)酵設(shè)備發(fā)展朝向大型化。多數(shù)味精廠已淘汰了75m3、的發(fā)酵罐，廣泛采用100m3至200m3的中型罐。1997年,珠海益力味精廠已建立全國(guó)最大容量660m3的發(fā)酵罐，產(chǎn)酸率達(dá)到10％以上。等電點(diǎn)罐從原來(lái)的50m3,發(fā)展至現(xiàn)時(shí)的200m3；離子交換柱由1.2m擴(kuò)大到6.0m；味精結(jié)晶缸由6～10m3擴(kuò)大到12～25m3。（3）工藝改進(jìn)。味精生產(chǎn)糖化工藝，1994年，全行業(yè)由酸法過(guò)渡到酸酶、酶酸法，并采用連續(xù)噴射液化，使淀粉糖化收率從90％左右提高到97％～98％，味精總收率提高4％，全行業(yè)年增產(chǎn)味精2萬(wàn)多噸，糖液含糖由18-20％提高到30～36％，為酶發(fā)酵產(chǎn)酸創(chuàng)造了有利的條件。（4）

開(kāi)發(fā)替代原料,降低生產(chǎn)成本。我國(guó)味精生產(chǎn)均以淀粉為原料。成本相對(duì)比較高，如全部改用玉米代替大米做原料，每噸味精成本由比國(guó)際同行業(yè)先進(jìn)水平高1000元有望降到比國(guó)際同行業(yè)先進(jìn)水平低2000元的水平，同時(shí)可大大減少生產(chǎn)所形成的有機(jī)廢水、廢渣，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。（5）環(huán)保問(wèn)題，味精行業(yè)已成為國(guó)家限期治理三河三湖地區(qū)的重點(diǎn)行業(yè)之一。目前全國(guó)主要味精十幾個(gè)企業(yè)基本上實(shí)施了廢水達(dá)標(biāo)排放。無(wú)錫輕工業(yè)大學(xué)研制的味精封閉循環(huán)的清潔生產(chǎn)工藝，在青島味精廠中試的基礎(chǔ)上，在菱花味精廠進(jìn)行2萬(wàn)噸味精規(guī)模的生產(chǎn)性試驗(yàn)，取得滿意結(jié)果[2]。本設(shè)計(jì)主要研究以玉米為原料進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)味精的過(guò)程。主要涉及菌種的選育、谷氨酸發(fā)酵設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型，及發(fā)酵條件的控制等方面的內(nèi)容。關(guān)鍵的問(wèn)題是工藝流程的選擇和確定，這關(guān)系到味精產(chǎn)量的多少和質(zhì)量的好壞，因此工藝流程的確定必須要選擇先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)的工藝流程。其次就是車間設(shè)備的布置，車間設(shè)備布置得好壞直接關(guān)系著整個(gè)工廠的生產(chǎn)效率和能力的耗損，因此必須要慎重解決。最后爭(zhēng)取在工藝上力求其合理性和先進(jìn)性，在設(shè)備上盡量采用先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化、自動(dòng)化，減輕繁重的體力勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，在技術(shù)上盡量采用已成熟的生產(chǎn)技術(shù)，使建廠后即能順利投產(chǎn)，并能達(dá)到設(shè)計(jì)能力。1味精生產(chǎn)工藝1.1工藝選擇目前國(guó)內(nèi)正在采用的谷氨酸發(fā)酵工藝有酸解法、雙酶法、酶酸法等三種，此三種發(fā)酵工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)。選擇發(fā)酵工藝時(shí)應(yīng)該根據(jù)具體情況，如所用的原料、發(fā)酵設(shè)備、提取工藝、水、熱量等條件來(lái)決定［1］。無(wú)論采用哪一種工藝都必須達(dá)到提高效率、降低單耗、降低成本，而不能片面追求某一項(xiàng)高指標(biāo)，必需考慮綜合效益。淀粉水解糖或糖蜜淀粉水解糖或糖蜜配料配料菌種一級(jí)種子二級(jí)種子發(fā)酵菌種一級(jí)種子二級(jí)種子發(fā)酵晶種晶種等電點(diǎn)提取等電點(diǎn)提取洗脫母液上離子交換柱離心分離洗脫母液上離子交換柱離心分離谷氨酸谷氨酸中和、脫色中和、脫色真空煮晶真空煮晶分離分離干燥干燥篩分篩分成品（味精）成品（味精）圖1發(fā)酵法制造谷氨酸的工藝流程Figure1GlutamicAcidFermentationProcesstoCreate目前谷氨酸的生產(chǎn)方法主要有三種：⑴蛋白質(zhì)水解法：植物蛋白水解提取，甜菜糖蜜中提??；⑵合成法：以化工原料丙烯腈、糖醛、環(huán)戊二烯為原料合成；⑶發(fā)酵法：以淀粉（或糖蜜）為原料，經(jīng)糖化、發(fā)酵、谷氨酸提取后用谷氨酸制造味精。蛋白質(zhì)水解制造味精是最古老的一個(gè)方法，其優(yōu)點(diǎn)是水解操作易于掌握，但原料來(lái)源少，價(jià)格高，得率低，對(duì)設(shè)備腐蝕性打，勞動(dòng)繁重，故此法目前已極少使用；合成法的優(yōu)點(diǎn)是不用糧食原料，但需要高溫高壓，設(shè)備要求高、嚴(yán)密性好，不適于一般工廠生產(chǎn)；目前，國(guó)內(nèi)谷氨酸（味精）的生產(chǎn)已全部采用發(fā)酵法，而且多以淀粉為原料，僅有少數(shù)工廠采用糖蜜作為原料。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是：①原料來(lái)源豐富，含糖原料、碳?xì)浠衔锏冉?jīng)微生物發(fā)酵均可獲得需要的產(chǎn)品，不像水解法那樣，只能利用蛋白質(zhì)為原料。②得率高，成本低。按目前發(fā)酵水平，每100kg糖發(fā)酵轉(zhuǎn)化為谷氨酸可達(dá)45kg左右，如用碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化率可高達(dá)70%以上，成本較水解法低50%以上。③有利于機(jī)械化自動(dòng)化生產(chǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度降低，生產(chǎn)率較高［1］。發(fā)酵法生產(chǎn)味精的全過(guò)程可劃分為四個(gè)工藝階段:ⅰ原料的預(yù)處理及淀粉水解糖的制備;ⅱ種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵;ⅲ谷氨酸的提取;ⅳ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(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［4］。1.2原料選擇河南省是華北黃淮主要玉米產(chǎn)區(qū)之一，而且是全國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，其玉米產(chǎn)量更是全國(guó)之最。由此可知，選用玉米做原料既滿足要求又可以節(jié)省很大的原料投資。1.3菌種選擇目前國(guó)內(nèi)各味精廠使用的谷氨酸生產(chǎn)菌株主要有：北京棒桿菌（AS.1299）、7338、S–941、D110、WTH–1;鈍齒棒桿菌（AS1.542）、HU7251、B9、F–263；天津短桿菌（T6–13）、FM–8207、FM–415、U–9、D85等菌株。通常選用B9菌株作為發(fā)酵用菌種，7338菌株作為B9菌株感染噬菌體后的備用調(diào)換菌種。1.4培養(yǎng)基選擇㈠種子培養(yǎng)基國(guó)內(nèi)谷氨酸發(fā)酵種子擴(kuò)大培養(yǎng)普遍采用二級(jí)種子培養(yǎng)的流程，即：斜面菌種→一級(jí)種子培養(yǎng)→二級(jí)種子培養(yǎng)→發(fā)酵罐。⑴一級(jí)種子培養(yǎng)一級(jí)種子培養(yǎng)的目的在于大量繁殖活力強(qiáng)的菌株，培養(yǎng)基組成應(yīng)以少含糖分，多含有機(jī)氮為主，培養(yǎng)條件從有利于長(zhǎng)菌考慮。⑵二級(jí)種子培養(yǎng)為了獲得發(fā)酵所需要的足夠數(shù)量的菌體，在一級(jí)種子培養(yǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)而擴(kuò)大到種子罐的二級(jí)種子培養(yǎng)。種子罐容積大小取決于發(fā)酵罐大小和種量比例。㈡發(fā)酵培養(yǎng)基與種子培養(yǎng)基不同，發(fā)酵培養(yǎng)基不僅是供給菌體生長(zhǎng)繁殖所需要的營(yíng)養(yǎng)和能源，而且是構(gòu)成谷氨酸的碳架來(lái)源，要積累大量谷氨酸，就要有足夠量的碳源和氮源，其量大大的高于種子培養(yǎng)基。㈢培養(yǎng)基滅菌方法的選擇中小規(guī)模的味精廠培養(yǎng)基滅菌多采用實(shí)罐間歇滅菌，以簡(jiǎn)化操作手續(xù)。規(guī)模較大的廠則考慮連續(xù)滅菌以提高經(jīng)濟(jì)效益。連續(xù)滅菌也叫連消，其溫度一般以126～132℃為宜，總蒸汽壓力要求達(dá)到0.044～0.049MPa以上。本設(shè)計(jì)采用連消塔噴淋冷卻流程［2］。圖2連消塔噴淋冷卻流程圖Figure2EvenEliminateSprayCoolingTowerFlowChart2工藝設(shè)計(jì)2.1物料衡算年產(chǎn)10萬(wàn)噸味精工廠發(fā)酵車間物料平衡時(shí)工藝計(jì)算的基礎(chǔ)，它是工藝設(shè)計(jì)工作從定性分析進(jìn)展到定量計(jì)算的開(kāi)端。一旦選定了生產(chǎn)方法并完成了工藝流程示意圖的設(shè)計(jì)后，就可以進(jìn)行物料平衡計(jì)算，通過(guò)物料平衡計(jì)算可以求出生產(chǎn)過(guò)程中原料、中間體和產(chǎn)品等進(jìn)出生產(chǎn)設(shè)備的物料的成分、重量和體積，進(jìn)而計(jì)算出生產(chǎn)產(chǎn)品的原料消耗定額以及單位時(shí)間內(nèi)（日或年）原料的消耗量，成品的產(chǎn)量和副產(chǎn)物、廢物等物料的排出量。根據(jù)物料平衡計(jì)算的結(jié)果可以確定生產(chǎn)設(shè)備的容量、設(shè)備的臺(tái)數(shù)和主要尺寸，進(jìn)行工藝流程草圖的設(shè)計(jì)和水、蒸汽、熱量、無(wú)菌空氣消耗量等地計(jì)算。物料平衡計(jì)算的基本依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即引入各設(shè)備的全部物料質(zhì)量必須等于離開(kāi)該設(shè)備的全部物料質(zhì)量和物料損失之和。2.1.1工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（1）主要技術(shù)指標(biāo)如下表所示［3］：表1谷氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)Table1SpecificationsofGlutamicAcidFermentationProcess指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模t/a100000（味精）生產(chǎn)方法中糖發(fā)酵，等電點(diǎn)–離子交換提取年生產(chǎn)天數(shù)d/a300產(chǎn)品日產(chǎn)量t/a334產(chǎn)品質(zhì)量純度%99倒灌率%0.2發(fā)酵周期h48發(fā)酵初糖Kg/m3150淀粉糖轉(zhuǎn)化率%108糖酸轉(zhuǎn)化率%60谷氨酸含量%95谷氨酸提取率%95味精對(duì)谷氨酸產(chǎn)率%122（2）主要原材料質(zhì)量指標(biāo)淀粉原料的淀粉含量為80%，含水14%。（3）二級(jí)種子培養(yǎng)基（g/L）水解糖50，糖蜜20，尿素3.5，磷酸氫二鉀1.0，硫酸鎂0.6，玉米漿5～10，泡敵0.6，硫酸錳0.002，硫酸亞鐵0.002，生物素0.02㎎。（4）發(fā)酵初始培養(yǎng)基（g/L）水解糖150，糖蜜4，硫酸鎂0.6，氯化鉀0.8，磷酸0.2，硫酸亞鐵0.002，硫酸錳0.002，尿素（總尿）40，泡敵1.0，生物素0.02㎎（5）接種量為8%。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）60%——糖酸轉(zhuǎn)化率95%——谷氨酸提取率99.8%——除去倒灌率0.2%后的發(fā)酵成功率122%——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50——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，故耗用的淀粉量G淀粉為：式中80%——淀粉原料含純淀粉量108%——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263.834kg（8）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36.68kg（9）氯化鉀耗量GKCl：（10）磷酸氫二鈉（Na2HPO4·7H2O）耗量G3：（11）硫酸鎂（MgSO4·7H2O）用量G4：（12）消泡劑（泡敵）耗用量G5：（13）玉米漿耗用量（8g/L）（14）生物素耗用量G7：（15）硫酸錳耗用量G8二級(jí)種液耗用糖蜜量發(fā)酵培養(yǎng)基耗糖蜜量故共耗硫酸錳量為1.06kg（16）硫酸亞鐵耗用量G9二級(jí)種液耗用糖蜜量發(fā)酵培養(yǎng)基耗糖蜜量故共耗硫酸亞鐵量為1.06kg（17）磷酸耗用量G10：（18）谷氨酸（麩酸）量G11發(fā)酵液谷氨酸含量為：實(shí)際生產(chǎn)的谷氨酸（提取率95%）為：（19）植物油耗用量G12：具體計(jì)算結(jié)果如表表2100000t/a味精廠發(fā)酵車間的物料衡算Table2100000t/aMonosodiumGlutamateFactoryFermentationPlantMaterialBalance物料名稱生產(chǎn)1t味精（100%）的物料量100000t/a味精生產(chǎn)的物料量每日物料量發(fā)酵液（m3）6.556.55×1052183.34二級(jí)種液（m3）0.5245.24×104174.67發(fā)酵水解用糖（kg）14411.441×1084.8×105二級(jí)種培養(yǎng)用糖（kg）26.22.62×1068733.34水解糖總量（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氯化鉀用量（kg）5.245.24×1051746.67磷酸氫二鈉用量（kg）0.5245.24×1041746.67硫酸鎂用量（kg）4.244.24×1051413.34泡敵用量（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玉米漿用量（kg）4.194.19×1051396.67硫酸錳用量（kg）1.06111.0611×105353.7硫酸亞鐵用量（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無(wú)菌空氣消耗量的計(jì)算2.2.1無(wú)菌空氣消耗量計(jì)算的意義大多數(shù)微生物的生長(zhǎng)、繁殖和代謝都需要氧的存在，尤其是好氧培養(yǎng)過(guò)程更是需要消耗大量的氧，氧有時(shí)甚至是影響發(fā)酵生產(chǎn)的制約因素。在好氧發(fā)酵過(guò)程中，要使發(fā)酵液保持一定的溶氧濃度，就必須向反應(yīng)系統(tǒng)通入大量的無(wú)菌空氣，以保證發(fā)酵液有一定的溶氧濃度，使發(fā)酵過(guò)程得以順利進(jìn)行。通過(guò)無(wú)菌空氣用量的計(jì)算，可以確定與發(fā)酵設(shè)備配套的壓縮機(jī)的選型與臺(tái)數(shù)，并進(jìn)行空氣過(guò)濾除菌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［3］。2.2.2無(wú)菌空氣消耗量計(jì)算⑴發(fā)酵工業(yè)技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)一噸味精的發(fā)酵液量：6.55m3二級(jí)種子液：0.524m3發(fā)酵時(shí)間：38h發(fā)酵周期（含清洗、滅菌等）：48h發(fā)酵罐公稱容積：500m3發(fā)酵罐裝料系數(shù)：70﹪⑵發(fā)酵過(guò)程無(wú)菌空氣用量計(jì)算發(fā)酵車間無(wú)菌空氣消耗量主要用于谷氨酸發(fā)酵過(guò)程通風(fēng)供氧，其次是種子培養(yǎng)的通氣以及培養(yǎng)基壓料輸送。此外，因設(shè)備和管路、管件等的消毒吹干以及其他損耗也構(gòu)成無(wú)菌空氣的消耗量。①單罐發(fā)酵無(wú)菌空氣耗用量由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，500m3規(guī)模的通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐的通氣率為0.15VVm。ⅰ單罐發(fā)酵過(guò)程用氣量：V=500×70﹪×0.15×60=1050(m3∕h)ⅱ單罐年用氣量：Va=V×38×150=6×106m3式中150——每年單罐發(fā)酵批次②種子培養(yǎng)等其他無(wú)菌空氣耗量二級(jí)種子培養(yǎng)是在種子罐中進(jìn)行的，可根據(jù)接種量、通氣速率、培養(yǎng)時(shí)間等進(jìn)行計(jì)算，但通常的設(shè)計(jì)習(xí)慣是把種子培養(yǎng)用氣、培養(yǎng)基壓送及管路損失等算作一次。一般取這些無(wú)菌空氣消耗量之和約等于發(fā)酵過(guò)程空氣耗量的25﹪，故無(wú)菌空氣耗量為：V′=25﹪V=262.5(m3∕h)每年用氣量為：Va′=25﹪Va×12=2.1×107m3式中12——發(fā)酵罐個(gè)數(shù)③發(fā)酵車間高峰無(wú)菌空氣消耗量Vmax=12(V+V′)=12×（1050+262.5）=18375(m3∕h)④發(fā)酵車間無(wú)菌空氣年耗用量Vt=12×150(V+V')×38=1.05×108(m3)ⅲ發(fā)酵車間無(wú)菌空氣單耗根據(jù)設(shè)計(jì)，實(shí)際味精年產(chǎn)量為：G=550×70%×7×300÷6.55=1.24×105（t／a）故發(fā)酵車間無(wú)菌空氣單耗為：V0=Vt÷G=846.8（m3／t)ⅳ1000000t／a味精廠發(fā)酵車間無(wú)菌空氣衡算表根據(jù)上述計(jì)算，得出1000000t／a味精廠發(fā)酵車間無(wú)菌空氣用量衡算表。表3發(fā)酵車間無(wú)菌空氣衡算表Table3FermentationPlantSterileAirBalanceSheet發(fā)酵罐公稱容積(m3)單罐通氣量(m3∕h)種子培養(yǎng)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／t味精5001050262.5183751.05×108846.8發(fā)酵罐裝料系數(shù)為70%，發(fā)酵周期為40h，年生產(chǎn)天數(shù)為300天，實(shí)際生產(chǎn)能力為1.24×105t／a，公稱容積為500m3，全容積為550m3。2.3設(shè)備的設(shè)計(jì)選型通常，發(fā)酵工廠所涉及的設(shè)備分為專業(yè)設(shè)備、通用設(shè)備和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。專業(yè)設(shè)備是指發(fā)酵罐、糖化鍋等專業(yè)性較強(qiáng)、僅為發(fā)酵工廠使用的設(shè)備；泵、風(fēng)機(jī)等各行各業(yè)都可以使用的設(shè)備成為通用設(shè)備；非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是指生產(chǎn)車間的貯藏、池子等設(shè)施。因本設(shè)計(jì)只涉及發(fā)酵車間，故主要介紹發(fā)酵車間設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)與選型。熱量衡算是工藝設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，它可以為過(guò)程設(shè)計(jì)和操作提供依據(jù)，是組織管理、經(jīng)濟(jì)核算和最優(yōu)化的基礎(chǔ)。通過(guò)熱量衡算可以計(jì)算出生產(chǎn)過(guò)程的能耗，應(yīng)用蒸汽消耗量等指標(biāo)，對(duì)工藝設(shè)計(jì)的多種方案進(jìn)行比較，從而選定先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，或?qū)ιa(chǎn)過(guò)程提出改造或革新。分析生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)合理性、過(guò)程的先進(jìn)性，從而找出生產(chǎn)上的問(wèn)題，進(jìn)而予以改進(jìn)。同時(shí)，熱量衡算還可為設(shè)備的造型及其尺寸、臺(tái)數(shù)的確定提供依據(jù)。總之，熱量衡算的結(jié)果有助于生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備的選擇、改進(jìn)，達(dá)到節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化生產(chǎn)的目的。2.3.1專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)選型年產(chǎn)10萬(wàn)噸99%純度的味精廠，其中發(fā)酵設(shè)備為間歇操作，滅菌設(shè)備為連續(xù)操作。㈠發(fā)酵罐（1）發(fā)酵罐的選型當(dāng)前，好氣發(fā)酵罐的各種罐型紛紛出現(xiàn)，我國(guó)谷氨酸發(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。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。（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500m3罐②生產(chǎn)能力的計(jì)算：現(xiàn)每天生產(chǎn)99%純度的味精334t，每噸100%的味精需糖液6.55m3，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)間)。則每天需糖液體積為V糖：設(shè)發(fā)酵罐的填充系數(shù)φ=70%；則每天需要發(fā)酵罐的總?cè)莘e為V0（發(fā)酵周期為48h）：③發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定［5］：公稱容積為500m3的發(fā)酵罐，全容積為550m3取公稱容積500m3發(fā)酵罐13個(gè)，其中一個(gè)留作備用。實(shí)際產(chǎn)量驗(yàn)算：富裕量：能滿足生產(chǎn)要求。（3）主要尺寸的計(jì)算：按全容積550m3的發(fā)酵罐進(jìn)行計(jì)算，取高徑比H：D=1.8：1［6］則有：得：，H=1.8D=12.4m；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)知封頭高：上、下封頭容積：V上=V下=πD3／24=42.97（m3）圓柱部分容積：V筒=0.785D3H=464.3（m3）驗(yàn)算全容積V'全：V'全=V筒+2V封=464.3+42.97×2=549.79≈550（m3）V全=V'全符合設(shè)計(jì)要求，可行。（4）冷卻面積的計(jì)算為了保證發(fā)酵在最旺盛、微生物消耗基質(zhì)最多以及環(huán)境氣溫最高時(shí)也能冷卻下來(lái)，必須按發(fā)酵生成熱量高峰，一年中最熱的半個(gè)月的氣溫下，冷卻水可能達(dá)到最高溫度的惡劣條件下，設(shè)計(jì)冷卻面積。計(jì)算冷卻面積使用牛頓傳熱定律［8］，即：。對(duì)谷氨酸發(fā)酵，每1m3發(fā)酵液在每1h傳給冷卻器的最大熱量約為4.18×6000kJ/(m3·h)［8］。采用豎式列管換熱器，取經(jīng)驗(yàn)值K=4.18×500kJ/(m3·h·℃)［8］。平均溫差Δtm［8］：32℃32℃20℃27℃125代入對(duì)公稱容量500m3的發(fā)酵罐，每天裝6罐，每罐實(shí)際裝液量為換熱面積Q——換熱器的熱負(fù)荷，kJ/hK——局部總傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)F——換熱面積，m2Δtm——平均溫差，℃（5）攪拌器設(shè)計(jì)機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的攪拌渦輪有三種形式，由于谷氨酸發(fā)酵過(guò)程有中間補(bǔ)料操作，對(duì)混合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪拌器[6]。該攪拌器的各部分尺寸與罐徑D有一定比例關(guān)系［5］:Di:di:L:B=20：15：5：4攪拌器葉徑取d=2.3（m）葉寬：弧長(zhǎng)：底距：盤(pán)徑：葉弦長(zhǎng)：葉距：彎葉板厚：δ=14（mm）取兩擋攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N2可根據(jù)50m3罐，攪拌直徑1.05m，攪拌轉(zhuǎn)速N1=110r/min。以等P0/V為基準(zhǔn)[6]放大可求得：（6）攪拌軸功率的計(jì)算通風(fēng)攪拌發(fā)酵罐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［3］式中D——攪拌器直徑，D=2.3mN——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［3］：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=65r/min=1.08r/sD——攪拌器直徑，D=2.3mρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3代入上式：兩擋攪拌，③計(jì)算通氣時(shí)的軸功率Pg［3］式中P0——不通氣時(shí)攪拌軸功率（kW），N——軸轉(zhuǎn)速，N=65r/minD——攪拌葉輪直徑（cm），D3=2.33×106=1.2×107cmQ——通風(fēng)量（ml/min）設(shè)通風(fēng)比VVm=0.11~0.18，取底限，通風(fēng)量變大，Pg變小，為安全。現(xiàn)取0.11，則：Q=350×0.11×106=8.7×106（ml/min）代入上式，得：④求電機(jī)功率P電［3］：采用三角帶傳動(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%［9］；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：本罐采用單管進(jìn)風(fēng)，風(fēng)管直徑φ219×6mm［5］。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：本罐采用雙面機(jī)械密封方式，處理軸與罐的動(dòng)靜問(wèn)題。④冷卻管布置：采用豎式蛇管［9］Ⅰ.最高熱負(fù)荷下的耗水量W［5］：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8.59×10-2m3/s，取冷卻水在豎直蛇管中的流速為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W——冷卻水體積流量，W=8.59×10-2m3/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=40，求管徑。由S總=n·0.785d02[2]：查金屬材料表選取φ63×3.5mm無(wú)縫管［10］，，認(rèn)為可滿足要求，?，F(xiàn)取豎式蛇管端部U型彎管曲徑為250mm，則兩直管距離為500mm，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φ63×3.5mm，每米長(zhǎng)冷卻管冷卻面積為：則:冷卻管占有體積：Ⅳ每組管子圈數(shù)n0：現(xiàn)取管間距為：，豎式蛇管與罐壁的最小距離為0.15m，則可計(jì)算出與攪拌器的距離在允許范圍內(nèi)（不小于200mm）。Ⅵ.校核布置后冷卻管的實(shí)際傳熱面積［5］：式中L實(shí)=L+40=2890（m2），其中40是接管，取得經(jīng)驗(yàn)值。而前有F=541.35m2，，可滿足要求。（8）設(shè)備材料的選擇［5］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［5］（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=690cm〔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——壁厚負(fù)偏差，通常為壁厚的10%～15%（mm），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19mm厚A3鋼板制作。（10）支座選擇對(duì)于75m3以上的發(fā)酵罐，由于設(shè)備總重量較大，應(yīng)選用裙式支座，所以本設(shè)計(jì)選用裙式支座。㈡種子罐由試管斜面保藏的菌種挑取一接種環(huán)的純種，繁殖成能夠供大規(guī)模生產(chǎn)需用的數(shù)百以至數(shù)千升種子的數(shù)量，其中必須經(jīng)過(guò)若干擴(kuò)大培養(yǎng)階段。一般的工藝流程為：試管斜面菌種→試管斜面活化培養(yǎng)→三角瓶搖床培養(yǎng)（一級(jí)種子）→種子罐培養(yǎng)（二級(jí)種子）[1]。Ⅰ二級(jí)種子罐（1）二級(jí)種子罐的選型二級(jí)種子罐選型同發(fā)酵罐，仍采用機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。（2）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8%計(jì)算，則種子罐容積V種為：式中V全——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6罐，需二級(jí)種子罐6個(gè)。種子罐培養(yǎng)8h，輔助操作時(shí)間8～10h，生產(chǎn)周期16～18h，因此，二級(jí)種子罐6個(gè)已足夠。③主要尺寸的確定二級(jí)種子罐仍采用幾何相似的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。H：D=1.8：1，則種子罐總?cè)莘e量V′總為：簡(jiǎn)化方程如下：解方程得:D=2.98m,H=1.8D=5.36（m）單個(gè)封頭容量：圓筒容量：校核種子罐總?cè)莘eV'總：比需要的種子罐容積44m3大，可滿足設(shè)計(jì)要求。④冷卻面積的計(jì)算采用夾套冷卻Ⅰ發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量：Ⅱ夾套傳熱系數(shù)［5］：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：⑤設(shè)備材料的選擇采用A3鋼制作⑥設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)Ⅰ擋板：根據(jù)全擋板條件［6］，式中B——擋板寬度，B＝（0.1～0.12）D=（0.1～0.12）×2980=298～357.6mm在此B取298mmD——罐徑D＝2980mmZ——擋板數(shù)：取Z＝6塊Ⅱ攪拌器：二級(jí)種子罐仍采用六彎葉渦輪攪拌器，該攪拌器雖然沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，但有公認(rèn)的比例尺寸：直徑：Di＝0.3～0.35D現(xiàn)取：葉片寬度：弧長(zhǎng)：盤(pán)徑：葉弦長(zhǎng)：攪拌器間距：底距：攪拌器轉(zhuǎn)速N2，根據(jù)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=1.043mN——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則：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=106r/min=1.77r/sD——攪拌器直徑，D=1.043mρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3代入上式，得：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），kWN——軸轉(zhuǎn)速，N=106r/minD——攪拌器直徑（cm），D3=1.0433×106=1.14×106Q——通風(fēng)量（ml/min），設(shè)通風(fēng)比VVm=0.11～0.18，取底限，如通風(fēng)量變大，Pg會(huì)變小，為安全，現(xiàn)取0.11；則Q=28.8×0.11×106=3.2×106（ml/min）代入上式：Ⅳ進(jìn)出物料管該管為物料與通風(fēng)共用，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28.8m3物料（即360.9×8%），則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=1.0m/s，則：設(shè)管徑為：查《生物工程工廠設(shè)計(jì)概論》，P271表12，無(wú)縫鋼管(YB231-70)，管徑采用194×6mm無(wú)縫管,內(nèi)徑194-2×6=182mm大于175mm，可滿足生產(chǎn)要求。Ⅴ冷卻水管：由前知需冷卻熱量，冷卻水溫變化23℃27℃，水比熱容則耗水量W為：冷卻水體積流量為3×10－3m3／s,取冷卻水在豎直蛇管中的流速為v=1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積式中W—冷卻水體積流量，W=3×10－3m3／sv—冷卻水流速，v=1m/s代入上式：則冷卻管直徑為⑧支座選型選用支撐式支座Ⅱ一級(jí)種子罐⑴一級(jí)種子罐容積的確定 按接種量8%計(jì)算，則一級(jí)種子罐容積V種為：V種=44×8%=3.52m3式中44—需要的二級(jí)種子罐容積⑵主要尺寸的確定一級(jí)種子罐仍采用幾何相似的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。H：D=1.8：1，則一級(jí)種子罐總?cè)萘縑′總為：V′總=2V′封+V′筒簡(jiǎn)化方程如下：得：D=1.281m取D=1.29m，則H=1.8D=2.33（m）單個(gè)封頭容量：圓筒容量：不計(jì)上封頭容積，則有效容積為：校核一級(jí)種子罐總?cè)莘eV′總：比需要的一級(jí)種子罐容積3.52m3大，可滿足設(shè)計(jì)要求。⑶設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)擋板：根據(jù)全擋板條件，式中B——擋板寬度，B＝（0.1～0.12）D=（0.1～0.12）×1290=129～154.8mm在此B取129mmD——罐徑D＝1290mmZ——擋板數(shù)：取Z＝6塊⑷攪拌器：一級(jí)種子罐仍采用六彎葉渦輪攪拌器，該攪拌器的比例尺寸：直徑：Di＝0.3～0.35D現(xiàn)取：葉片寬度：弧長(zhǎng)：盤(pán)徑：葉弦長(zhǎng)：攪拌器間距：底距：攪拌器轉(zhuǎn)速N2，根據(jù)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D1=112mm兩擋攪拌。一級(jí)種子罐個(gè)數(shù)的確定：一級(jí)種子罐與二級(jí)種子罐對(duì)應(yīng)上料。二級(jí)種子罐平均每天上5罐，需一級(jí)種子罐6個(gè)。種子罐培養(yǎng)8h，輔助操作時(shí)間8～10h，生產(chǎn)周期16～18h，因此，一級(jí)種子罐6個(gè)已足夠，其中一個(gè)備用。2.3.2連續(xù)操作設(shè)備的計(jì)算和選型年產(chǎn)100000t味精的工廠，按前面的計(jì)算，發(fā)酵周期是48h（即2天），故1年內(nèi)可以生產(chǎn)150批，選用500m3的發(fā)酵罐，裝料按70％。發(fā)酵液中谷氨酸的含量和收率均按100%計(jì)算。㈠連消塔的計(jì)算和選型Ⅰ連消塔的選型連消塔的型式有噴孔型、螺旋型、汽液混合噴射型等，其中噴射型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用簡(jiǎn)單方便可靠，一般工廠可自行加工制造，故本設(shè)計(jì)選用噴孔型。Ⅱ主要尺寸及接管的計(jì)算⑴滅菌時(shí)間的確定：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般取10min，殺菌時(shí)間也不是越長(zhǎng)越好，因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的殺菌時(shí)間會(huì)使?fàn)I養(yǎng)破壞過(guò)多，因而培養(yǎng)基在連消塔中的停留時(shí)間應(yīng)保持在10～30s之間，一般連消培養(yǎng)基流速取0.3～0.6m/s。⑵連消塔的長(zhǎng)度：現(xiàn)取培養(yǎng)基流速v=0.6m／s，在連消塔內(nèi)滯留時(shí)間t＝10s，則連消塔的長(zhǎng)度為：⑶進(jìn)汽管直徑計(jì)算：查表知在此壓力下的汽速范圍為20～50m/s之間，取50m/s，則進(jìn)汽管截面積為：進(jìn)汽管直徑：⑷進(jìn)料管直徑計(jì)算：進(jìn)料體積流量:物料流速范圍為:0.3～0.6m/s,取,則進(jìn)料管截面積為：進(jìn)料管直徑：⑸出料管直徑計(jì)算：出料管應(yīng)將進(jìn)料量加上蒸汽冷凝量，則出料量為:換算成體積流量為：取流速為0.6m/s,出料管截面積為:則出料管直徑:⑹連消塔外圓尺寸計(jì)算:已知出料體積流量為195.6m3/h,物料在連消塔中移動(dòng)速度取0.1m/s,則連消塔下面積為:又:式中D外──外筒內(nèi)徑D內(nèi)──內(nèi)筒外徑，以上兩式聯(lián)立,則得:㈡維持罐的計(jì)算和選型⑴維持罐的選型維持設(shè)備有維持罐及維持管兩種，利弊互見(jiàn)。管式對(duì)保證先進(jìn)先出，防止滑漏是有利的，但阻力較大；罐式加工安裝容易，但缺點(diǎn)式滯留﹑滑漏現(xiàn)象較多，現(xiàn)選用罐式。⑵數(shù)量和容積的確定ⅰ數(shù)量：與連消塔配套，故其規(guī)模取2個(gè)。ⅱ容積：根據(jù)前述滅菌時(shí)間，扣除在連消塔逗留的時(shí)間，即為在維持罐中的逗留時(shí)間，為，又維持罐填充系數(shù)取84％，則單個(gè)維持罐總?cè)萘浚孩窃O(shè)備主要尺寸的確定維持罐考慮返混問(wèn)題，擬取H/D＝2.5～3，現(xiàn)取H＝3D。因設(shè)備有一定溫度和壓力，按受壓容器設(shè)計(jì)，采用橢圓封頭。解方程得，D＝2.46m，圓整后取2.5m，則H=3D=7.5m。查表知，封頭容積為：V封＝2.56m3核算其總?cè)萘浚捍笥赩罐39m3，可滿足要求。⑷接管計(jì)算進(jìn)出料管直徑應(yīng)取與連消塔出料管相同尺寸，可保證生產(chǎn)順利進(jìn)行。㈢噴淋冷卻裝置將已被螺旋板冷卻的糖液繼續(xù)冷卻到發(fā)酵罐接種溫度，即從72℃降到32℃。此裝置與連消塔、維持罐、配套使用，故選用兩個(gè)。則單個(gè)噴淋冷卻裝置的冷卻面積的計(jì)算如下：⑴冷卻熱負(fù)荷Q3⑵冷卻面積如下計(jì)算噴淋冷卻的總傳熱系數(shù)K一般?。?00～500）×4.18，冷卻面積比為6～8m2/（m3·h）現(xiàn)取K＝500×4.18kJ/（m2·h·℃），溫差：將發(fā)酵罐排出的冷卻水用于噴淋冷卻，水溫為28℃，設(shè)升至40℃，而糖液從72℃降至32℃。72──→3240←──28──────324（℃）則：合，與經(jīng)驗(yàn)值吻合。設(shè)備采用國(guó)產(chǎn)鋼管，可根據(jù)現(xiàn)有管材長(zhǎng)度決定直管長(zhǎng)度，不要接頭，而彎頭可用鑄造法制U型彎頭，也可用管材彎制。查有關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，決定曲率半徑R，防止彎曲后通道變小。在安裝時(shí)為減少阻力、方便施工，應(yīng)將直管保持水平，固定在架上，而讓U型彎道呈傾斜狀。2.3.3非專業(yè)設(shè)備的計(jì)算和選型非專業(yè)設(shè)備是指生產(chǎn)車間中除專業(yè)設(shè)備和通用設(shè)備之外的、用于與生產(chǎn)配套的貯罐、計(jì)量罐等設(shè)備。味精廠的非專業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)包括尿素溶液貯罐、消尿素溶液罐、尿素溶液罐、尿素計(jì)量罐的設(shè)備設(shè)計(jì)。㈠設(shè)備容量的確定⑴尿素消耗量加尿素總量按發(fā)酵醪質(zhì)量比4.0％計(jì)算，每天用尿素量為：⑵尿素溶液體積流加尿素溶液濃度為40％，重度為1100kg/m3，每天用尿素溶液體積為V:⑶需尿素溶液貯罐總?cè)莘e為V總該尿素溶液貯罐填充系數(shù)為70％，則有：現(xiàn)將容積圓整到423m3。㈡各罐設(shè)計(jì)及幾何尺寸的確定⑴尿素溶液貯罐的設(shè)計(jì)及幾何尺寸的確定ⅰ尿素溶液貯罐容量V1每罐配制尿素溶液占全天使用量的1/2，則：，數(shù)量取2個(gè)。則每罐容積為：，圓整后得106m3ⅱ尺寸的計(jì)算尿素溶液貯罐兼有攪拌溶解作用，取平蓋橢圓封底，為節(jié)省材料，取筒高H＝D，解方程得：圓整到推薦的系列值，取D＝5m，H＝5m。封頭高度h1＝1000mm，直邊高度h2＝50mm，封頭容量V封＝10.37m3，校核其容積V實(shí)：V實(shí)＞V1，可滿足要求。⑵消尿素罐（尿素溶液滅菌罐）的設(shè)計(jì)及幾何尺寸的確定ⅰ消尿素罐容量V2每罐滅菌兩次，則：圓整后得53m3，數(shù)量取2個(gè)。尿素溶液罐容量V3，為保證滅菌正常進(jìn)行，保證連續(xù)生產(chǎn)，還應(yīng)設(shè)尿素溶液罐2個(gè)，則：ⅱ尺寸的計(jì)算消尿素罐容量為53m3，實(shí)際裝液量為37.5m3，為保證尿素溶液濃度改變不是太大，先采用夾套預(yù)熱至沸點(diǎn)，然后通入直接蒸汽滅菌，此后再用夾套冷卻到室溫，為保證有足夠的換熱面積，取，則：整理后得：D＝3080mm，圓整后D＝3100mm，H＝6200mm⑶單個(gè)尿素緩存罐的設(shè)計(jì)此罐僅作為已滅菌并降溫的尿素溶液暫貯罐。以上可知，該罐53m3，實(shí)際裝液量為37.5m3，無(wú)攪拌及換熱裝置，現(xiàn)取H＝D，，則：解方程得：圓整到D＝3.8m，H＝3.8m，封頭容量V封＝7.75m3。校核容積：，大于53.5m3，可滿足要求。⑷尿素計(jì)量罐的設(shè)計(jì)及幾何尺寸的確定ⅰ消尿素罐容量V計(jì)每次加尿素溶液的量為發(fā)酵液的0.6～0.8％，取0.65％。計(jì)量罐填充系數(shù)?。?.4～0.7，糖液密度1.05t/m3，尿素溶液密度1.1t/m3，則尿素溶液重：合體積：尿素溶液計(jì)量罐的容量V計(jì)為：圓整到28m3，數(shù)量可取2個(gè)，則每個(gè)計(jì)量罐的容量V計(jì)為：，圓整到14m3。ⅱ尺寸的計(jì)算設(shè)＝3.5，則有：解方程得：，取D＝1.7m，則有：校核：，大于14m3，認(rèn)為可滿足要求。2.4味精廠發(fā)酵車間設(shè)備一覽表表4100000t/a味精廠發(fā)酵車間設(shè)備一覽表Table4100000t/aMonosodiumGlutamateFactoryFermentationListofWorkshopEquipment序號(hào)設(shè)備名稱臺(tái)數(shù)規(guī)格與型號(hào)材料備注1發(fā)酵罐12公稱容積500m3A3鋼專業(yè)設(shè)備2二級(jí)種子罐6公稱容積44m3A3鋼專業(yè)設(shè)備3一級(jí)種子罐6公稱容積3.52m3A3鋼專業(yè)設(shè)備4連消塔2A3鋼專業(yè)設(shè)備接下表續(xù)表4序號(hào)設(shè)備名稱臺(tái)數(shù)規(guī)格與型號(hào)材料備注5維持罐2V=40m3A3鋼專業(yè)設(shè)備6噴淋冷卻器2F=1396m2A3鋼專業(yè)設(shè)備7連消泵2通用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)體鑄鐵通用設(shè)備8尿素溶液貯罐2V=106m3A3鋼非專業(yè)設(shè)備貯存9消尿素罐2V=55m31Cr18Ni9Ti混合調(diào)量滅菌10尿素溶液罐2V=53m3A3鋼非專業(yè)設(shè)備貯存11尿素計(jì)量罐2V=14m31Cr18Ni9Ti計(jì)量合計(jì)402.5車間設(shè)計(jì)布置原則㈠滿足生產(chǎn)工藝的要求車間設(shè)備布置必須按流程的流向順序依次進(jìn)行設(shè)備的排列，以保證物料順暢的向前輸送，按順序進(jìn)行加工處理，保證水平方向和垂直方向的連續(xù)性。不使物料和產(chǎn)品有交叉和往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。盡可能利用工藝位差、對(duì)于有位差的設(shè)備，應(yīng)充分利用高位差布置，以節(jié)省動(dòng)力設(shè)備及費(fèi)用[3]。⑴滿足生產(chǎn)操作的要求①每一個(gè)設(shè)備都要考慮一定德?tīng)柕匚?，包括設(shè)備本身所占地位，設(shè)備附屬裝置所占地位，操作地位，設(shè)備檢修拆卸地位以及設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與建筑物間的安全距離等。②設(shè)備布置應(yīng)考慮為操作工人能管理多臺(tái)設(shè)備或多種設(shè)備創(chuàng)造條件。凡屬相同的幾套設(shè)備或同類型的設(shè)備或操作性質(zhì)相似的有關(guān)設(shè)備，應(yīng)盡可能集中布置，使之彼此靠近，以便統(tǒng)一管理，集中操作，方便維修及部件的互換。③設(shè)備布置不宜過(guò)擠或過(guò)松，宜盡量對(duì)稱緊湊，排列整齊，充分利用空間。設(shè)備間的距離要充分考慮工廠操作的要求和交通的便。車間內(nèi)要留有堆放原料、成品及排出物和包裝材料的空地以及必要的運(yùn)輸通道。具有運(yùn)動(dòng)機(jī)械的設(shè)備，還要考慮設(shè)置安全防護(hù)裝置的地位。④要考慮相同設(shè)備或相似設(shè)備互換使用的可能性和方便性。這樣，可充分發(fā)揮設(shè)備的潛在力量。⑵滿足設(shè)備安裝、檢修的要求①根據(jù)設(shè)備大小和結(jié)構(gòu)，考慮設(shè)備安裝、檢修及拆卸所需要的空間和面積。②滿足設(shè)備能順利的進(jìn)出車間的要求。經(jīng)常搬動(dòng)的設(shè)備應(yīng)在設(shè)備附近設(shè)置大門(mén)或安裝孔，大門(mén)寬度比最大設(shè)備寬0.5米，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入廠房后，很少再需搬出時(shí)，則可設(shè)置安裝洞，即在外墻留預(yù)留洞口，待設(shè)備運(yùn)入后，再行砌封。③必須考慮設(shè)備的檢修和拆卸以及運(yùn)送物料所需要的起重運(yùn)輸設(shè)備。⑶滿足廠房建筑的要求①設(shè)備布置時(shí)，要避開(kāi)建筑的柱子及主梁。如設(shè)備吊裝在柱子或梁上，其荷重及吊裝方式需事先告知土建專業(yè)人員，并與其協(xié)商。②廠房?jī)?nèi)所有操作臺(tái)必須統(tǒng)一考慮，避免平臺(tái)支柱零亂重復(fù)，影響車間美觀、生產(chǎn)操作及檢修。③設(shè)備不應(yīng)該布置在建筑物的沉降縫或伸縮縫處。④在廠房的大門(mén)或樓梯旁布置設(shè)備時(shí)，要求不影響開(kāi)門(mén)和行人出入。⑤在不嚴(yán)重影響工藝流程順序的原則下，將較高設(shè)備盡量集中布置，這樣可以簡(jiǎn)化廠房體形，節(jié)約廠房體積，另外還可以利用建筑上的有利條件，如利用天窗的空間安裝較高設(shè)備。2.6車間布置相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求㈠建筑上的某些規(guī)定⑴門(mén)窗①門(mén)：為了正確地組織人流、車間運(yùn)輸和設(shè)備進(jìn)出以及保證車間的安全疏散，在廠房設(shè)計(jì)中要布置好出入口，廠房的安全出入口一般不能少于2個(gè)。②窗：工業(yè)廠房常用鋼窗或塑料窗，目前我國(guó)所用的鋼窗規(guī)格是按照廠房結(jié)構(gòu)統(tǒng)一模數(shù)制的基本規(guī)定設(shè)計(jì)的，且可由基本窗組合成各種窗口類型。⑵樓梯布置在建筑物的出入口附近，對(duì)于大型廠房應(yīng)布置2個(gè)樓梯，根據(jù)使用情況，分主樓梯、輔助樓梯和消防樓梯。主樓梯布置于人流集中的廠房附近；輔助樓梯位于廠房?jī)蓚?cè)。主樓梯寬度一般為1500-1650mm，坡度為30℃.輔助樓梯寬度為1000-1200mm，坡度為45℃。樓梯形式有：?jiǎn)闻?、雙跑、三跑及雙分、雙合式樓梯。㈡設(shè)備的安全距離設(shè)備之間或設(shè)備與墻之間的凈間距大小，無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)設(shè)備大小，車間布置要求，設(shè)備上連接管線多少，管徑粗細(xì)，檢修的頻繁程度等各種因素，再根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，決定安全間距。設(shè)備布置時(shí)可參照下表[5]。表5設(shè)備的安全距離Table5ASafeDistancefromTheEquipment序號(hào)項(xiàng)目?jī)舭踩嚯x/m1泵與泵的距離不小于0.72泵離墻的距離至少1.23泵列與泵列的距離（雙排泵間）不小于2.0接下表續(xù)表5序號(hào)項(xiàng)目?jī)舭踩嚯x/m4計(jì)量罐與計(jì)量罐的距離0.4—0.65貯罐與貯槽間的距離0.4—0.66換熱器與換熱器間距離至少1.07塔與塔的距離1.0—2.08離心周圍通道不小于1.59過(guò)濾機(jī)周圍通道1.0—1.810反應(yīng)罐蓋上傳動(dòng)裝置離天花板距離（如攪拌軸拆裝有困難時(shí)，距離還需加大）不小于0.811反應(yīng)罐底部與人行通道距離不小于1.8—2.012反應(yīng)罐卸料口至離心機(jī)的距離不小于1.0—1.513起吊物品與設(shè)備最高點(diǎn)距離不小于0.414往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)部件離墻距離不小于1.515回轉(zhuǎn)機(jī)械離墻距離不小于0.8—1.016回轉(zhuǎn)機(jī)械互相間距不小于0.8—1.217控制室、開(kāi)關(guān)室與爐子之間距離1518產(chǎn)生可燃性氣體德?tīng)栐O(shè)備和爐子間距離不小于8.019工藝設(shè)備和通道間距離不小于1.0（3）通道是指車間內(nèi)人、貨物的通行之道。通道的布置與設(shè)備布置同樣重要，是車間布置設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。通道的要求參照下表。表6通道的寬度與凈空高度Table6ChannelWidthAndHeadroom項(xiàng)目尺寸/m人行道、狹窄通道、樓梯、人孔周圍的寬度0.75走道、樓梯、操作臺(tái)、管架的凈空高度2.2—2.5不常通行的地方，凈空高度不小于1.9主要檢修道，廠房間道路寬6—7，凈空4.2—4.8次要道路寬4.8，凈空3.3車間主要通道寬2.4，凈空2.7平臺(tái)到水平人孔0.6—1.5管束樓出距離管束長(zhǎng)+（0.6—0.9）操作臺(tái)梯子的斜度一般情況不大于45°特殊情況60°2.7設(shè)備布置說(shuō)明設(shè)備布置：根據(jù)前面的工藝計(jì)算，為了使發(fā)酵條件優(yōu)化，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)因素，因此對(duì)車間的布置如下［3］：（1）發(fā)酵罐的布置：因本地區(qū)夏天的風(fēng)向以西南風(fēng)為主冬天以北風(fēng)為主，冬天溫度較低，空氣中的雜菌相對(duì)較少，因此將發(fā)酵罐置于車間的西南方向，6個(gè)發(fā)酵罐呈兩條線排列，罐與罐之間的距離為2m，罐底離地為1m，罐頂人孔離樓面800mm。（2）尿素計(jì)量罐的布置：因?yàn)榘l(fā)酵罐是從頂部進(jìn)料，又因?yàn)橛?jì)量罐的高度所限，故將其置于二樓和三樓之間，距離發(fā)酵罐較近，可以節(jié)省能量，對(duì)計(jì)量泵的要求相對(duì)會(huì)低一些。（3）消尿素罐的布置：消尿罐置于二樓和三樓之間，一是因?yàn)槠涓叨鹊南拗?，再一個(gè)就是便于物料的流動(dòng)。（4）尿素溶液貯罐的布置于三樓，是為了便于物料向發(fā)酵罐中運(yùn)送，節(jié)省部分能量，同時(shí)也是為了方便尿素的加入和配制。（5）維持罐的布置：平衡罐置于一樓和二樓之間，距離一樓地面為1m，是因?yàn)槠涓叨鹊南拗?。?）連消塔的布置：連消塔置于二樓，是考慮到物料的流動(dòng)。高溫蒸汽從二樓通入連消塔內(nèi)。（7）