食品发酵工程课程方案.docx
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食品发酵工程课程方案
食品发酵工程课程设计
机械搅拌
通风发酵罐的设计
姓名：
王艳丽
班级：
食品101
学号：
2010035120
指导教师：
冮洁
2013年6月27日
1设计任务书
学生姓名
王艳丽
班级
食品101
指导教师
冮洁
题目
机械搅拌通风发酵罐的设计
设计基本参数
发酵罐体积：
100m3生产能力：
年产2万吨味精（99%）
原料：
淀粉含量86%的工业淀粉
生产日：
全年320天
操作条件：
发酵时间：
34~36h，发酵温度：
32℃
发酵冷却水：
入口温度：
20℃，出口温度：
26℃
设计要求及内容
1、设计方案简介；
对选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要论述。
2、总物料衡算
3、发酵罐的主要尺寸计算
4、搅拌功率及搅拌转速的计算
5、冷却面积及冷却水用量计算
6、发酵罐壁厚计算
7、局部尺寸及辅助设备的确定
8、编写设计说明书
将设计所选定的工艺流程方案、主要步骤及计算结果汇集成工艺设计说明书。
应采用简练、准确的文字图表，实事求是的介绍设计计算过程和结果。
设计说明书要求在6000字以上，A4纸打印。
设计说明书内容：
（1）封面（课程设计题目、学生班级、姓名、指导教师、时间）
（2）目录
（3）设计任务书
（4）概述与设计方案简介
（5）工艺及设备设计计算
（6）辅助设备的计算及选型
（7）设计结果汇总表
（8）设计评述
（9）参考资料
（10）主要符号说明
（11）致谢
各阶段时间安排（以天为单位计算）
用一周时间集中进行
1.设计方案选定：
0.5天
2.主要设备的设计计算：
2天
3.辅助设备的选型：
0.5天
4.编写设计说明书：
2天
2设计概述与设计方案简介
2.1谷氨酸生产工艺流程简介
2.1.1谷氨酸发酵工艺技术参数表
表2-1主要工艺技术参数
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
2.2.2谷氨酸生产原料及处理
表2-2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M原料
糖蜜原料
1
玉M淀粉
含淀粉86%
2.12
2
大M
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。
硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
2.2.3谷氨酸生产工艺流程图
淀粉
↓
消泡剂—葡萄糖—消泡剂阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
水—↓—水氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
无机盐—→配料罐→定容罐定容罐←配料罐←←—无机盐釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
糖蜜—↓↓—糖蜜怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
玉M浆—二级种子罐连消器—玉M浆谚辞調担鈧谄动禪泻類。
纯生物素—↓↓—纯生物素嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
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
图2-1谷氨酸发酵工艺流程图
3工艺及设备设计计算
3.1生产能力计算
年产味精2万吨（99%味精占80%，80%的味精占20%，
折算为100%MSG：
日产商品MSG：
（其中99%的MSG50t，80%的MSG12.5t）。
日产100%MSG：
3.2总物料衡算
生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原辅材料及其他物料量。
（1）发酵液量V1
式中150——发酵培养基初糖浓度（kg/m3）
48%——糖酸转化率
80%——谷氨酸提取率
98%——淀粉糖转化率
112%——味精对谷氨酸的精制产率
发酵液配制需水解糖量G1
以纯糖算
（3）耗用淀粉原料量
理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用的淀粉量G为：
G=2349/（86%×95%×111%）=2590.2kg
式中86%——淀粉原料含纯淀粉量
95%——淀粉糖转化率
3.3发酵罐的主要尺寸计算
3.3.1发酵罐的选型
选用机械搅拌通风发酵罐。
3.3.2生产容积的确定
发酵罐容积的确定：
选用公称容积为100m3的发酵罐。
生产能力的计算：
取发酵罐的填充系数ϕ=70%。
发酵罐个数的确定：
公称体积为100m3的发酵罐，总体积为118（m3）
每天需糖液体积V糖=15.66×59.5=931.77（m3）
每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V0（发酵周期为34h）。
V0=V糖/φ=931.77/0.7=1331.1（m3）
发酵罐个数
N1=V糖t/（V总φ24）=931.77×36/（118×0.7×24）=16.9（个）
取公称体积100m3发酵罐17个。
每天的装罐量：
17/36×24=11.3m3
实际产量验算：
118×0.7×11.3/（15.66×80%×99%+15.66×80%×20%）×320=20035t/a熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
富裕量:
（20035-20000）/20000=0.2%，能满足产量要求。
3.3.3发酵罐的高度和直径
D为发酵罐公称直径，H是发酵罐圆筒高，取高径比H：
D=2：
1
设发酵罐的圆筒体积为
，封底体积为
=
+
=
即
，D=4.009m取D=4m，H=2D=8m；
查表得封头高：
H封=h1+h2=1050mm
验算全容积V0‘：
=
+
=
符合设计要求，方案可行。
3.3.4冷却面积及冷却水用量的计算
（1）冷却面积的计算
发酵罐采用竖式列管换热器，取经验值K=4.18×500kj/（
℃），根据部分谷氨酸厂的实测和经验数，谷氨酸放得发酵热高峰值约3.3×104kJ/（m3·h）。
鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
换热面积
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·℃）
平均温差
——入口端温差，
=32-20=12℃；
——出口端温差，
=32-26=6℃。
100m3灌装液量为
换热量
换热面积
（2）冷却水用量
最高负荷下耗水量
式中Q总——每1m3醪液在发酵最旺盛1h的发热量与醪液总体积的乘积
cp——冷却水的比热容，4.18kJ/（kg·K）
t2——冷却水终温，t2=26℃
t1——冷却水初温，t1=20℃
代入数据，得
（3）蛇管的计算
（1）冷却管总截面积S总
式中W——冷却水体积流量，W=3.02×10-2m3/s
V——冷却水流速，v=1m/s
代入数据，得S总=0.0302/1=0.0302m2
进水总管直径d总2=S总/0.785，代入数据，得d总=0.196m
（2）冷却管组数和管径
设冷却管总表面积为S总，管径d0，组数为n，则取n=12，求管径。
由上式得：
d02=S总/0.785n
d0=0.049m
查金属材料表选取φ57×3.5mm无缝管，d内=50mmg=4.62kg/m，d内＞d0，认为可满足要求，d平均=54mm纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为l0：
（3）冷却管总长度L计算
由前知冷却管总面积
，现取无缝钢管φ57×3.5mm，每M长冷却面积为
冷却管占有体积：
（4）每组管长L0和管组高度
，另需连接管8m：
可排竖式直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm。
设发酵罐内附件占有体积为0.5m3，则：
总占有体积为颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
V总=V液+V管+V附件=77.6+1.6+0.5=80m3
筒体部分液深为h’=（V总–V封）/S=（44.36-4）/（0.785×33）=5.7m
竖式蛇管总高H管=5.7+0.25=6.0m
又两端弯管总长
，两端弯管总高为500mm，则直管部分高度
h=H管-500=6000-500=5500mm
一圈管长l=2h+l0=2×5500+1570=12570mm
（5）每组管子圈数n0
n0=L0/l=73.4/12.6=6圈
现取管间距为
，竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。
濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
（6）校核布置后冷却管的实际传热面积：
而前有S=151.14m2，
，可满足要求。
3.3.5搅拌器的计算
（1）搅拌器尺寸
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。
主要尺寸如下：
搅拌器叶径di=D0/3=4/3=1.33m，取d=1.3m
叶宽B=0.2d=0.2×1.3=0.26m
弧长l=0.375d=0.375×1.3=0.49m
底距C=di=1.3m
盘踞di=0.75×di=0.75×1.3=0.98m
叶弦长L=0.25×di=0.25×1.3=0.33m
弯叶板厚δ=12（mm）
取两挡搅拌，搅拌直径1.05m，转速N1=95r/min。
（2）搅拌器功率
①计算Rem
式中D——搅拌器直径，D=1.3m
N——搅拌器转速，
ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3
μ——醪液粘度，μ=1.3×10-3N·s/m2
将数代入上式：
Rem=12×1.58×1050/（1.3×10-3）=2.2×106＞104
视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7
②计算不通气时的搅拌轴功率P0：
式中Np——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7
N——搅拌转速，N=95r/min=1.58r/s
D——搅拌器直径，D=1.3m
ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3
代入数据，得：
P01=72KW，两挡搅拌：
P0=2P01=144KW
③计算通风时的轴功率Pg
式中P0——不通风时搅拌轴功率（kW），
N——轴转速，N=95r/min
D——搅拌器直径（cm），D3=1.33×106=2.2×106
Q——通风量（ml/min），设通风比V/Vm=0.11~0.18，取低限，如通风量变大，Pg会变小，为安全。
现取0.11；则Q=79.1×0.11×106=8.7×106（ml/min）銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
Q0.08=（8.7×106）0.08=3.57ml/min
代入上式，得Pg=116.1Kw
3.3.6发酵罐壁厚的计算
（1）计算法确定发酵罐的壁厚S1
式中P——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa
D——发酵罐内经，D=400cm
[σ]——A3钢的应用应力，〔σ〕=127MPa
φ——焊接缝隙，φ=0.7
C——壁厚附加量（cm）
式中C1——钢板负偏差，现取C1=0.8mm
C2——为腐蚀余量，现取C2=2mm
C3——加工减薄量，现取C3=0
代入数据，得
，选用10mm厚A3钢板制作。
（2）封头壁厚计算：
标准椭圆封头的厚度计算公式如下
式中P=0.4MPa
D=300cm
[σ]=127MPa
C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）
φ=0.7
代入数据，得
3.4接管的计算
（1）接管的长度h：
各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100~200mm。
（2）接管直径的确定：
①按排料管计算：
该罐实装醪量77.6m3，设2h之内排空，则物料体积流量
Q=77.6/（3600×2）=0.0108m3/s
发酵醪流速取v=1m/s。
则排料管截面积为F物
F物=Q/v=0.0108/1=0.011m2
管径d=0.118m，取无缝管φ133×4mm，125mm〉118mm，设计合理。
②按通风管计算：
压缩空气在0.4MPa下，支管气速为20~25m/s。
现通风比0.1~0.18vvm，为常温下20℃，0.1MPa下的情况，要折算0.4MPa、30℃状态。
风量Q1取大值，挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
Q1=77.6×0.18=14m3/min=3m3/s
利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf[8]
Qf=0.13×0.1/0.35×（273+30）/（273+20）=0.068m3/s
取风速v=25m/s，则风管截面积Ff为
Ff=Qf/v=0.068/25=0.0027㎡
则气管直径d气=0.06m
因通风管也是排料管，故取两者的大值。
取φ133×4mm无缝管，可满足工艺要求。
（3）排料时间复核：
物料流量Q=0.00108m3/s，流速v=1m/s；
管道截面积：
在相同的流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为
P=Q/Fv=0.0108/（0.123×1）=0.88倍
排料时间：
t=2×0.88=1.8h
4.设计结果汇总表
表4-1设计结果汇总表
工程
大小
公称容积
100m3
总体积
118m3
个数
17
公称直径
4m
圆筒高
8m
发酵壁厚
1.2cm
封头高
1.05m
封头厚
1.28cm
叶径
1.3m
叶宽
0.26m
弧长
0.49m
底距
1.3m
弯叶板厚
12mm
搅拌直径
1.05m
转速
95r/min
通风时功率
116.1kw
不通风功率
144kw
进/出料口直径
φ133×4mm
冷却水用量
30.2kg/s
组数
12
内径
50mm
总长
883m
布置
竖式蛇管（不设挡板）
5.设计评述
经过几天的查阅资料和反复核算，最终完成了本次食品发酵工程课程设计的任务。
在设计的过程中，我学习到了很多知识，同时巩固并运用了课堂上学到的理论知识。
在理论联系实际的过程中，我认识到了活学活用的重要性，很多知识在应用时要考虑的实际情况远比书本上要复杂得多。
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
本次设计整体比较合理，每个数据都经过了反复的核算，但若真正投入使用可能还是会出现很多问题，需要就具体问题进行修改。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
6.参考资料
[1]何铭新等．建筑制图高等教育出版社，1994。
[2]吴思方．发酵工厂工艺设计概论，中国轻工业出版，1995。
[3]梁世中．生物工程设备，中国轻工业出版社，2002。
[4]黎润钟．发酵工厂设备，中国轻工业出版社，1991。
[5]姚玉英．化工原理，天津大学出版社，1999。
[6]张克旭．氨基酸发酵工艺学，中国轻工业出版社，1992：
279-280。
[7]张启先．我国发酵工业发展现伏与对策科技导报，1992
（2）：
44-45。
[8]高孔荣．发酵设备，中国轻工业出版社，1991：
1-5。
[9]王旭禹郑超．味精发酵生产工艺及其主要设备，高等函授学报（自然科
学版），1995（4）：
45-48。
7.主要符号说明
H--------罐高P--------设计压力D--------发酵罐直径η2--------滚动轴承裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
η3---------滑动轴承P----------功率内径
S---------发酵罐壁厚w---------耗水量
t2---------冷却水终温t1---------冷却水初温
φ---------焊接缝隙η1---------三角带传动
H封------封头高△tm------平均温差
D-----------直径C------------壁厚附加量（cm）仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
C1----------钢板负偏差C2----------为腐蚀余量
C3----------加工减薄量Ff----------风管截面积
t------------排料时间L-----------冷却管长度
d气---------气管直径F------------管道截面积
Q------------物料流量H管--------管高
L0-----------每组管长d0-----------管径
n-------------组数ρ-------------醪液密度
Y-------------叶距B------------叶宽
N-----------轴转速P0----------不通风时搅拌轴功率绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
Np----------在湍流搅拌状态时其值为常数4.7
8.致谢
通过本次课程设计，我对发酵罐原理有了更深刻、更全面的认识，数据的处理以及原理的相关性使得我考虑问题更加全面，文字的处理让我对于排版编辑有了初步的锻炼，计算能力以及利用办公软件应用能力也有所提高。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
感谢冮洁老师布置课程任务时的悉心讲解，感谢参考文献中所有作者提供的宝贵资料。
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