三万吨味精发酵工厂设计包括物料衡算热量衡算和设备选型.docx
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三万吨味精发酵工厂设计包括物料衡算热量衡算和设备选型
年产3万吨谷氨酸发酵罐的设计
前言
第一章年产3万吨谷氨酸的发酵罐
2.1生产规模及计算
2.2通用发酵罐的系列尺寸
2.3发酵罐主要设计条件
2.4发酵罐的型式
2.5发酵罐的用途
2.6冷却水及冷却装置
2.7设计压力罐内0.4MPa；夹套0.25MPa
第二章谷氨酸生产工艺流程
3.1谷氨酸发酵工艺技术参数
3.2谷氨酸生产原料及处理
3.3谷氨酸生产工艺流程图
第三章工艺计算
4.1主要工艺技术参数
4.2总物料衡算
第四章发酵罐选型及工艺计算
5.1发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算
5.1.1发酵罐体加热用蒸汽量
5.1.2填充发酵罐空间所需蒸汽量
5.1.3灭菌过程的热损失
5.1.4灌壁附着洗涤水升温所需蒸汽量
5.2发酵罐的设计与选型
5.2.1发酵罐的选型
5.2.2生产能力，数量和容积的确定
5.2.3主要尺寸的计算
5.2.4冷却面积的确定
5.2.5搅拌器的设计
5.2.6搅拌器功率的确定
5.2.7设备结构的工艺设计
5.2.8竖直蛇管冷却装置设计
5.2.9设备材料的选择
5.2.10发酵罐厚壁计算
5.2.11接管设计
第六章发酵罐设计图
第一章前言
谷氨酸是一种氨基酸, 其用途非常广泛,可用于食品、医学 、化妆品等。
谷氨酸生产，始于1910年日本的味之素公司用水解法生产谷氨酸。
1956年日本协和发酵公司分离得到谷氨酸棒杆菌，使发酵法生产谷氨酸成为可能，由于发酵法生产氨基酸具有生产能力大、成本低、设备利用率高等特点，使氨基酸工业得到突飞猛进的发展[1]。
我国1958年开始研究，1965年在上海天厨味精厂投产。
目前我国谷氨酸的年产量已达170万吨，产销量占世界第一位[2]。
经过几十年的发展，在该行业诸多工程人员的努力研究下，使我国谷氨酸生产四大收率指标（糖化收率、发酵糖酸转化率和产酸率、提取收率、精制收率）均达到历史最好水平。
其质量已达国际领先水平。
但是，在谷氨酸生产中仍然存在原料利用率低，生产成本高，自动化控制水平低，环境污染日趋严重等问题。
因此，目前对谷氨酸行业的研究方向主要集中在提高自动化生产程度，改进生产工艺，处理三废，解决环境污染等方面。
第二章年产3万吨谷氨酸的发酵罐
2.1生产规模及计算
2.1.1生产规模：
年产3万吨谷氨酸
2.1.2生产规格：
纯谷氨酸
2.1.3生产制度：
全年生产日320天；2~3班作业，连续生产。
2.1.4生产能力
日产量：
30000t÷320d=93.75t／d
发酵周期：
48h（包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间）
发酵罐个数：
需要200m3发酵罐25个
2.2通用发酵罐的系列尺寸
表--通用发酵罐的系列尺寸
公称容积
罐内径
圆柱高
封头高
罐体总高
封头容积
圆柱部分容积
50L
320mm
640mm
105mm
850mm
6.3L
52L
100L
400mm
800mm
125mm
1050mm
11.5L
100L
200L
500mm
1000mm
150mm
1300mm
21.3L
197L
500L
700mm
1400mm
200mm
1800mm
54.5L
540L
1.0m3
900mm
1800mm
250mm
2300mm
0.112m3
1.14m3
5.0m3
1500mm
3000mm
400mm
3800mm
0.487m3
5.3m3
10m3
1800mm
3600mm
475mm
4550mm
0.826m3
9.15m3
20m3
2300mm
4600mm
615mm
5830mm
1.76m3
19.1m3
50m3
3100mm
6200mm
815mm
7830mm
4.2m3
46.8m3
100m3
4000mm
8000mm
1040mm
10080mm
9.02m3
100m3
200m3
5000mm
10000mm
1300mm
12600mm
16.4m3
197m3
不计上封头的容积
全容积
搅拌桨直径
搅拌转数
电动机功率
搅拌轴直径
冷却方式
58.3L
64.6L
112mm
470r/min
0.4kW
25mm
夹套
112L
123L
135mm
400r/min
0.4kW
25mm
夹套
218L
239L
168mm
360r/min
0.6kW
25mm
夹套
595L
649L
245mm
265r/min
1.1kW
35mm
夹套
1.25m3
1.36m3
315mm
220r/min
1.5kW
35mm
夹套
5.79m3
6.27m3
525mm
160r/min
5.5kW
50mm
夹套
9.98m3
10.8m3
630mm
145r/min
13kW
65mm
夹套
20.86m3
22.6m3
770mm
125r/min
23kW
80mm
列管
51m3
55.2m3
1050mm
110r/min
55kW
110mm
列管
109m3
118m3
1350mm
Δ
Δ
Δ
列管
213m3
230m3
1700mm
Δ
Δ
Δ
列管
2.3发酵罐主要设计条件
表-发酵罐主要设计条件
项目及代号
参数及结果
备注
发酵产品
谷氨酸
工作压力
0.4MPa
由任务书确定
设计压力
0.4MPa
由任务书确定
发酵温度
（工作温度）
33℃
根据任务书选取
设计温度
150℃
由工艺条件确定
冷却方式
列管冷却
由工艺条件确定
发酵液密度
由工艺条件确定
发酵液黏度
由工艺条件确定
根据常识，一个良好的发酵罐应满足下列要求：
1结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；
2有良好的气-液-固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能；
3在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；
4有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度；
⑤有可行的管道比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制
2.4发酵罐的型式
机械搅拌通风发酵罐
①高径比：
H/D=1.7-4.0
②搅拌器：
六弯叶涡轮搅拌器,Di:
di:
L:
B=20:
15:
5:
4
③搅拌器直径：
Di=D/3
④搅拌器间距：
S=（0.95-1.05）D
⑤最下一组搅拌器与罐底的距离：
C=（0.8-1.0）D
⑥挡板宽度：
B=0.1D，当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板
2.5发酵罐的用途
用于谷氨酸生产的各级种子罐或发酵罐，有关设计参数如下：
①装料系数：
种子罐0.50-0.65
发酵罐0.65-0.8
②发酵液物性参数：
密度1080kg/m3
粘度2.0×10-3N.s/m2
导热系数0.621W/m.℃
比热4.174kJ/kg.℃
③高峰期发酵热3-3.5×104kJ/h.m3
④溶氧系数：
种子罐5-7×10-6molO2/ml.min.atm
发酵罐6-9×10-6molO2/ml.min.atm
⑤标准空气通风量：
种子罐0.4-0.6vvm
发酵罐0.2-0.4vvm
2.6冷却水及冷却装置
冷却水：
地下水18-20℃
冷却水出口温度：
23-26℃
发酵温度：
32-33℃
冷却装置：
种子罐用夹套式冷却，发酵罐用列管冷却。
2.7设计压力罐内0.4MPa；夹套0.25MPa
发酵罐主要由罐体和冷却列管，以及搅拌装置，传动装置,轴封装置，人孔和其它的一些附件组成。
这次设计就是要对25M3通风发酵罐的几何尺寸进行计算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、罐体和封头的壁厚；根据发酵微生物产生的发酵热、发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷却装置的设计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一些附件的确定,完成整个装备图，完成这次设计
第三章谷氨酸生产工艺流程
3.1谷氨酸发酵工艺技术参数
表--主要工艺技术参数
序号
生产工序
参数名称
指标
淀粉质原料
糖蜜原料
1
制糖（双酶法）
淀粉糖化转化率%
≥98
2
发酵
产酸率g/dl
≥8.0
≥8.0
3
发酵
糖酸转化率%
≥50
≥55
4
谷氨酸提取
提取收率%
≥86
≥80
3.2谷氨酸生产原料及处理
表--原料及动力单耗表
序号
物料名称
规格
单耗（t/t）
淀粉原料
大米原料
糖蜜原料
1
玉米淀粉
含淀粉86%
2.12
2
大米
含淀粉70%
3.0
3
糖蜜
含糖50%
3.97
4
硫酸
98%
0.45
0.45
0.45
5
液氨
99%
0.35
0.35
0.35
6
纯碱
98%
0.34
0.34
0.34
7
活性炭
0.03
0.02
0.10
8
水
309
309
309
9
电
2000Kwh/t
2000Kwh/t
2000Kwh/t
10
蒸汽
11.4
11.4
11.4
谷氨酸发酵的主要原料有淀粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、乙醇、正烷烃（液体石蜡）等。
国内多数谷氨酸生产厂家是以淀粉为原料生产谷氨酸的，少数厂家是以糖蜜为原料进行谷氨酸生产的，这些原料在使用前一般需进行预处理。
（一）糖蜜的预处理
谷氨酸生产糖蜜预处理的目的是为了降低生物素的含量。
因为糖蜜中特别是甘蔗糖蜜中含有过量的生物素，会影响谷氨酸积累。
故在以糖蜜为原料进行谷氨酸发酵时，常常采用一定的措施来降低生物素的含量，常用的方法有以下几种。
（1）活性炭处理法用活性炭可以吸附掉生物素。
但此法活性炭用量大，多达糖蜜的30%～40%，成本高。
在活性炭吸附前先加次氯酸钠或通氯气处理糖蜜，可减少活性炭的用量。
（2）水解活性炭处理法国内曾有人进行过用盐酸水解甘蔗糖蜜，再用活性炭处理的方法去除生物素的实验，并应用于生产。
（3）树脂处理法甜菜糖蜜可用非离子化脱色树脂除去生物素，这样可以大大提高谷氨酸对糖的转化率。
处理时先用水和盐酸稀释糖蜜，使其浓度达到10％，pH达2.5，然后在120℃下加压灭菌20min，再用氢氧化钠调pH至4.0，通过脱色树脂交换柱后，将所得溶液调pH至7.0，用以配制培养基。
（二）淀粉的糖化
绝大多数的谷氨酸生产菌都不能直接利用淀粉，因此，以淀粉为原料进行谷氨酸生产时，必须将淀粉质原料水解成葡萄糖后才能供使用。
可用来制成淀粉水解糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等，我国主要以甘薯淀粉或大米制备水解糖。
淀粉水解的方法有三种：
1．酸解法用酸解法生产水解糖，其工艺流程如下：
原料（淀粉、水、盐酸）调浆→糖化→冷却→中和脱色→过滤除杂→糖液
（1）调浆原料淀粉加水调成10—11°Be´的淀粉乳，用盐酸调pHl.5左右，盐酸用量（以纯盐酸计）约为干淀粉的0.5％～0.8％。
（2）糖化首先要在水解锅内加部分水，加水后将水解锅预热至100～105℃,（蒸汽压力为0．1～0．2MPa）随后用泵将淀粉乳送至水解锅内迅速升温，在表压为0.25～0.4MPa之间保压，一般水解时间控制在10～20min，即可将淀粉转化成还原糖。
（3）冷却中和温度过高易形成焦糖，脱色效果差；温度低，糖液黏度大，过滤困难。
因此，生产上一般将糖化液冷却到80℃以下。
（4）中和淀粉水解完毕，酸解液pH仅为1．5左右，需用碱中和后才能用于发酵。
中和的终点pH一般控制在4.5～5.0左右，以便使蛋白质等胶体物质沉淀析出。
（5）脱色酸解液中尚存在着一些色素和杂质需通过脱色除去。
脱色可采用活性炭吸附，活性炭是经过特殊处理的木炭，为黑色无定形粉末，不溶于任何溶剂，质松多孔，表面积很大，具有很大的吸附能力。
它将具有脱色与助滤两方面作用。
（6）过滤除杂经中和脱色的糖化液要充分沉淀1～2h，待液温降到45～50℃，用泵打人过滤器除杂质，过滤后的糖液送贮糖桶贮存，到此为止，淀粉糖化过程全部结束，制成的糖化液供发酵使用。
2．酶解法 先用α-淀粉酶将淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶将糊精和低聚糖进一步水解成葡萄糖的方法，称为酶解法。
谷氨酸菌能够在菌体外大量积累谷氨酸，是由于菌体的代谢调节处于异常状态，只有具有特异性生理特征的菌体才能大量积累谷氨酸。
这样的菌体对环境条件是敏感的。
也就是说，谷氨酸发酵是建立在容易变动的代谢平衡上的，是受多种发酵条件支配的。
因此，控制最适的环境条件是提高发酵产率的重要条件。
在谷氨酸发酵中，应根据菌种特性，控制好生物素、磷、NH4+、pH、氧传递率、排气中二氧化碳和氧含量、氧化还原电位以及温度等，从而控制好菌体增殖与产物形成、能量代谢与产物合成、副产物与主产物的合成关系，使产物最大限度地利用糖合成主产物。
为了实现发酵过程工艺条件最佳化，可采用电子计算机进行资料收集、数据解析、程序控制。
收集准确的数据，如搅拌转速液量、冷却水人口温度和流量、通风量、发酵温度、pH、溶解氧、氧化还原电位等，还可准确地取样。
控制操作者要求进行检测和及时处理比增殖速度、比产物形成速度、比营养吸收速度、氧的消耗速度等数据，使操作条件最佳化
3.3谷氨酸生产工艺流程图
淀粉
↓
↓
消泡剂—葡萄糖—消泡剂
水—↓—水
无机盐—→配料罐→定容罐定容罐←配料罐←←—无机盐
糖蜜—↓↓—糖蜜
玉米浆—二级种子罐连消器—玉米浆
纯生物素—↓↓—纯生物素
实消维持罐
↓↓
斜面→一级种子降温换热器
↓↓—消泡剂
液氮→二级种培养发酵罐←—高浓度糖液
↑—液氨
无菌空气
谷氨酸发酵工艺流程图
第四章工艺计算
4.1主要工艺技术参数
表--主要工艺技术参数
序号
生产工序
参数名称
指标
淀粉质原料
糖蜜原料
1
制糖（双酶法）
淀粉糖化转化率%
≥98
2
发酵
产酸率g/dl
≥8.0
≥8.0
3
发酵
糖酸转化率%
≥50
≥55
4
谷氨酸提取
提取收率%
≥86
≥80
4.2总物料衡算
（1）1000kg纯淀粉理论上产100%Glu量：
1000×1.11×81.7%=906.84（kg）
（2）1000kg纯淀粉实际产100%Glu：
1000×1.11×98%×50%×86%×92%=430.35（kg）
（3）1000kg工业淀粉（含量86%的玉米淀粉）产100%Glu量：
430.35×86%=370.1（kg）
（4）淀粉单耗
11t100%Glu消耗纯淀粉量：
1000/430.35=2.323（t）
21t100%Glu实际消耗工业淀粉量：
1000/370.1=2.702（t）
31t100%Glu理论上消耗纯淀粉量：
1000/906.84=1.103（t）
41t100%Glu理论上消耗工业淀粉量：
1.103/86%=1.282（t）
（5）总收率：
可以按以下两种方法计算。
1实际产量（kg）/理论产量×100%=430.35/906.84×100%=47.45%
2（98%×50%×86%×92%）/81.7%×100%=47.45%
（6）淀粉利用率：
1.282/2.702×100%=47.45%
（7）生产过程总损失：
100%－47.45%=52.55%
物料在生产过程中损失的原因：
1糖转化率稍低。
2发酵过程中部分糖消耗于长菌体以及呼吸代谢；残糖高；灭菌损失；产生其他产物。
3提取收率低，母液中Glu含量高。
（8）原料以及中间品的计算
1淀粉用量：
93.75×2.702=253.31（t/d）
2糖化液量：
纯糖253.31×86%×1.11×98%=236.97（t/d）
折算为24%的糖液：
236.97/24%=987.39（t/d）
3发酵液用量：
纯Glu量：
236.97×50%=118.48（t/d）；折算为8g/dl的发酵液：
118.48/8%=1481（m3）；1481×1.05=1555.05（t）（1.05为发酵液的相对密度）
4提取Glu量：
纯Glu量：
118.48×86%=101.89（t/d）折算为90%的Glu量：
101.89/90%=113.21（t/d）
5Glu废母液量（采用等电-新离子回收法，以排出的废母液含Glu0.7%g/d计算）：
（118.48-101.89）/0.7%=2370（m3/d）
第五章发酵罐选型及工艺计算
5.1发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算
5.1.1发酵罐体加热用蒸汽量
发酵罐公称容积200m3，材料为碳钢，发酵罐罐体重32.78t，比热容0.5kJ/（kg·℃），使用0.4MPa蒸汽（表压）灭菌，发酵罐罐压保持在0.15MPa（表压）下，由20℃升至127℃，维持1h[2]。
其蒸气用量为：
式中2748.5——0.4MPa（表压）蒸汽热焓，kJ/kg[2]
535.4——0.15MPa，127℃时蒸汽凝结水热焓，kJ/kg[2]
每日用蒸汽量为：
平均用蒸汽量为：
5.1.2填充发酵罐空间所需蒸汽量
公称容积200m3发酵罐的全容积为230m3，其蒸气用量为：
式中ρ——加热蒸汽的密度，ρ=1.39kg/m3[2]
发酵罐灭菌（0.15MPa，表压）1h。
每日用蒸汽量为：
平均用蒸汽量为：
5.1.3灭菌过程的热损失
辐射与对流联合给热系数α，罐外壁温度60℃[2]。
200m3发酵罐的表面积为157.1m2[2]，消耗蒸汽量为：
5.1.4罐壁附着洗涤水升温所需蒸汽量
式中0.001——附壁水平均厚度，m[2]
5.2发酵罐的设计与选型
5.2.1发酵罐的选型
选用机械搅拌通风发酵罐。
5.2.2生产能力、数量和容积的确定
（1）发酵罐容积的确定：
选用公称容积为200m3的发酵罐。
（2）生产能力的计算：
每天需糖液体积V糖为：
25.28×100×99%=2502.72（m3）
式中25.28——生产1t谷氨酸（100%）的发酵液量，m3[8]
若取发酵罐的填充系数=75%，则每天需要发酵罐总容积V为：
V=V糖÷=2502.72÷75%=3336.96（m3）
（3）发酵罐个数的确定：
公称容积为200m3的发酵罐，其全容积为230m3。
每日需要的发酵罐数n为：
n=V÷230=3336.96÷230≈15
共需要的发酵罐数N为：
N=（V×t）／24×230=（3336.96×40）／24×230≈25
每天应有15个发酵罐出料，共需要25个发酵罐。
5.2.3主要尺寸的计算
发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成。
为了提高空气利用率，罐的高径比取2[2]。
椭圆形封头的直边高度忽略不计，以方便计算。
解方程得
取5m。
圆柱部份容积V筒为：
上、下封头体积V封为：
全容积验算：
符合设计要求，可行。
5.2.4冷却面积的确定
根据部分味精厂的实测和经验数，谷氨酸放得发酵热高峰值约4.18×6000kJ/（m3·h）[8]，则冷却面积按传热方程式计算如下：
式中S——冷却面积，m2
Q——换热量，kJ/h
tm——平均温度差，℃
K——总传热系数，kJ/（m2·h·℃）
230m3灌装液量为：
设发酵液温度32℃，冷却水进口温度20℃，出口温度27℃，则平均温度差tm为：
K值取4.18×500kJ/（m2·h·℃）[8]，
3.2.5搅拌器设计
由于谷氨酸发酵过程中有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。
该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系，现将主要尺寸列后[8]：
搅拌器叶径Di为：
取1.7m。
叶宽B为：
弧长l为：
底距C为：
取1.7m。
盘径di为：
叶弧长L为：
叶距Y为：
以单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同这一准则进行的反应器的放大，即：
式中n2——放大的搅拌器的转速，r/min
n1——模型搅拌器的转速，n=110r/min[8]
d1——模型搅拌器直径，d=1.05m[8]
d2——放大的搅拌器直径，d=1.7m
将各值代入上式
取两档搅拌，搅拌转速79.78r/min。
5.2.6搅拌轴功率的确定
（1）不通气条件下的轴功率计算：
式中Np——功率数,Np=4.8[7]
n——搅拌器的转速，n=1.33r/s
d——搅拌器直径，d=1.7m
ρ——流体密度，ρ=1070kg/m3[7]
将各值代入上式
（2）通气发酵轴功率计算：
式中P——不通气条件下的轴功率，P=171.563kW
n——搅拌器的转速，n=79.78r/mim
d——搅拌器直径，d=170cm
Q——工况下的通气量，
将各值代入上式
通常谷氨酸发酵按1kW/m3[8]发酵醪；对于200m3发酵罐，装液量172.5m3则应选取功率≥172.5KW的立式电机。
本罐采用三角带传动。
5.2.7设备结构的工艺设计
（1）空气分布器：
本罐使用单管进风，风管直径计算见5.2.11。
（2）挡板：
本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。
（3）消泡浆：
本罐使用圆盘放射式消泡浆。
（4）密封方式：
本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。
（5）冷却管布置：
使用的是竖直蛇管冷却装置。
5.2.8竖直蛇管冷却装置设计
（1）求最高热负荷下的耗水量W为：
式中Q——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，Cp=4.18kJ/（kg·℃）[8]
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0.0411m3/s，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积总A总为：
式中W——冷却水体积流量，W=0.0411m3/s
υ——冷却水流速，υ=1m/s
代入上式
进水总管直径d总为：
查表12选取Dg225×7[8]。
（2）冷却管组数和管径：
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