年产三万吨谷氨酸的发酵罐设计与选型.docx
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年产三万吨谷氨酸的发酵罐设计与选型
年产3万吨谷氨酸发酵罐设计
第一章前言
第二章谷氨酸发酵罐的主要技术指标
第三章谷氨酸生产工艺流程及计算
3.1谷氨酸生产原料及处理
3.2谷氨酸生产工艺流程图
第四章谷氨酸发酵罐的总物料衡算
4.1谷氨酸生产的工艺技术指标
4.2谷氨酸发酵车间的物料衡算
4.3三万吨谷氨酸发酵车间的物料衡算结果表
第五章谷氨酸发酵罐的设计与选型
5.1谷氨酸发酵罐空管灭菌蒸汽用量
5.2发酵罐的选型
5.3生产能力、数量和容积的确定
5.4主要尺寸的计算
5.5冷却面积的计算
5.6搅拌器计算
5.7搅拌轴功率的计算
5.8设备结构的工艺计算
5.9设备材料的选择
5.10发酵罐壁厚的计算
5.11接管设计
5.12支座选择选用裙式支座
第六章发酵罐的设计图
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,它是非人体所必需氨基酸,但它参与许多代谢过程,因而具有较高的营养价值,在人体内,谷氨酸能与血氨结合生成谷氨酰胺,解除组织代谢过程中所产生的氨毒害作用,可作为治疗肝病的辅助药物,谷氨酸还参与脑蛋白代谢和糖代谢,对改进和维持脑功能有益。
另外,众所周知的谷氨酸钠盐即味精有很强烈的鲜味,是重要的调味品。
第二章谷氨酸发酵罐的主要技术指标
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。
本论文设计原理是基于强化传质、传热等操作,将生物体活性控制在最佳状态,降低总的操作费用。
另外,发酵罐内部状态也是不可忽视的影响因素。
初步确定主要技术指标如表1所示。
表1主要技术指标
指标名称
单位
指标数
生产规模
t/a
30000<谷氨酸>
生产方法
采用淀粉原料,双酶法糖化,中初糖发酵流加高糖,等电点-离子交换法提取的工艺
年生产天数
d/a
300
产品日产量
t/d
100
产品质量
纯度99%
第三章谷氨酸的生产工艺流程
3.1谷氨酸原料的处理
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。
淀粉的糖化淀粉水解的方法有三种：
①酸解法；②酶解法；③酸酶<或酶酸>结合法。
淀粉的酸水解工艺
1、调浆：
干淀粉用水调成10-11˚Bx的淀粉乳,加盐酸0.5-0.8％至pH1.5。
2、糖化：
蒸汽加热、加压糖化25min。
3、中和：
冷却至80℃,烧碱中和至pH4.0-5.0〔避免产生焦糖又保证过滤,中和为沉淀胶体。
4、脱色：
活性炭脱色和脱色树脂。
活性炭用量为0.6-0.8％,在70℃及酸性条件下搅拌后过滤。
淀粉的酶法糖化工艺
以大米或碎米为原料时采用大米浸泡磨浆,再调成15˚Bx,pH6.0,加细菌α-淀粉酶在85℃下液化30min,加糖化酶60℃糖化24h,过滤后可供配制培养基。
糖蜜原料
不宜直接用来作为谷氨酸发酵的碳源,因含丰富的生物素。
预处理方法：
活性炭或树脂吸附和亚硝酸法破坏以减少糖蜜中的生物素。
也可以在发酵液中加入表面活性剂吐温60或添加青霉素。
3.2谷氨酸的生产工艺流程图
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
第四章年产3万吨谷氨酸的总物料衡算
4.1
谷氨酸生产的工艺技术指标
表1味精发酵工艺技术指标
指标名称
单位
指标数
生产规模
t/a
30000〔味精
生产方法
中糖发酵,一次等电点提取
年生产天数
d/a
300
产品日产量
t/a
100
产品质量
纯度%
99
倒灌率
%
1.0
发酵周期
h
48
发酵初糖
Kg/m3
150
淀粉糖转化率
%
95
糖酸转化率
%
48
麸酸谷氨酸含量
%
90
谷氨酸提取率
%
80
味精对谷氨酸产率
%
112
主要原材料质量指标淀粉原料的淀粉含量为80%,含水14%。
二级种子培养基〔g/L水解糖25,糖蜜20,尿素3.5,磷酸氢二钾1.0,硫酸镁0.6,玉米浆5~10,泡敌0.6,硫酸镁0.002,硫酸亚铁0.002。
发酵培养基〔g/L水解糖150,糖蜜4,硫酸镁0.6,氯化钾0.8,磷酸氢二钠0.2,硫酸亚铁0.002,硫酸锰0.002,尿素〔总尿40,泡敌0.6,植物油1.0。
接种量为2%
4.2谷氨酸发酵车间的物料衡算
首先计算生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原辅材料及其他物料量。
发酵液量V1
式中220——发酵培养基初糖浓度〔kg/m3
56%——糖酸转化率
90%——谷氨酸提取率
97%——除去倒灌率0.3%后的发酵成功率
110%——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,
二级种液量V2
二级种子培养液所需水解糖量G2
式中25——二级种液含糖量〔kg/m3
生产1000kg味精需水解糖总量G为：
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淀粉为：
式中85%——淀粉原料含纯淀粉量
98%——淀粉糖转化率
尿素耗用量
二级种液耗尿素量为V3
发酵培养基耗尿素为V4
故共耗尿素量为331.68kg
甘蔗糖蜜耗用量
二级种液耗用糖蜜量V5
发酵培养基耗糖蜜量V6
合计耗糖蜜41.1kg
氯化钾耗量GKCl
磷酸氢二钾〔K2HPO4耗量G3
硫酸镁〔MgSO4·7H2O用量G4
消泡剂〔泡敌耗用量G5
磷酸氢二钠耗用量G6
谷氨酸〔麸酸量
发酵液谷氨酸含量为：
实际生产的谷氨酸〔提取率90%为：
玉米浆用量
4.330000t/a味精厂发酵车间的物料衡算结果
年产30000吨味精物料横算表
物料名称
生产1t味精〔100%的物料量
15000t/a味精生产的物料量
每日物料量
发酵液〔m3
8.22
246.6
822
二级种液〔m3
0.822
82.2
发酵水解用糖〔kg
1809
二级种培养用糖〔kg
20.55
2055
水解糖总量〔kg
1829.55
淀粉
1978.7
尿素〔或液氨
331.68
糖蜜〔kg
41.1
氯化钾〔kg
9.87
987
磷酸氢二钾〔kg
0.822
82.2
硫酸镁〔kg
3.62
362
泡敌〔kg
3.54
354
第五章谷氨酸发酵罐的设计与选型
5.1谷氨酸发酵罐空管灭菌蒸汽用量
发酵罐体加热：
200m3,1Cr18Ni9的发酵罐体重34.3t,冷却排管重6t,1Cr18Ni9的比热容0.5kJ/〔kg·K,用0.2Mpa〔表压蒸汽灭菌,使发酵罐在0.15Mpa〔表压下,由20℃升至127℃。
其蒸汽量为986〔kg
填充发酵罐空间所需的蒸汽量：
因200m3发酵罐的全容积大于200m3,考虑到罐内之排管、搅拌器等所占之空间,罐之自由空间仍按200m3计算。
填充空间需蒸汽量：
D空=Vρ=200×1.622=324.4〔kg
式中 V--发酵罐自由空间即全容积〔m3
ρ--加热蒸汽的密度〔kg/m3,0.2Mpa表压时为1.622
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70℃。
α=33.9+0.19<70-20>=43.4>
200m3发酵罐的表面积为201m2,耗用蒸汽量：
D损==199〔kg
罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗41〔kg
灭菌过程蒸汽渗漏,取总汽消耗量的5%,空罐灭菌蒸汽消耗量为：
1632〔kg/h
每空罐灭菌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
5.2发酵罐的选型
选用机械涡轮搅拌通风发酵罐
5.3生产能力、数量和容积的确定
发酵罐容积的确定：
选用200m3罐
生产能力的计算：
现每天生产97%纯度的谷氨酸100t,谷氨酸的发酵周期为48h<包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间>。
每天产纯度为97%的味精100t,每吨100%的谷氨酸需糖液8.22m3
则每天需糖液体积为V：
设发酵罐的填充系数φ=75%；则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V0〔发酵周期为48h。
发酵罐个数的确定：
公称体积为200m3的发酵罐,总体积为230m3
取公称体积200m3发酵罐11个,其中一个留作备用。
实际产量验算：
富裕量
能满足产量要求
5.4主要尺寸的计算：
取高径比H：
D=2：
1
则有：
H=2D；
解方程得：
取D=5m
H=2D=10m；
封头高：
封头容积：
V封=16.4〔m3
圆柱部分容积：
V筒=197m3
验算全容积V全：
V全=V’全
符合设计要求,可行。
5.5冷却面积的计算
对谷氨酸发酵,每1m3发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为4.18×6000kJ/。
采用竖式蛇管换热器,取经验值K=4.18×500kJ/。
平均温差Δtm：
32℃32℃
20℃27℃
125
代入
对公称容量200m3的发酵罐,每天装5罐,每罐实际装液量为
换热面积
5.6搅拌器计算选用六弯叶涡轮搅拌器。
该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系
搅拌器叶径
取d=1.7〔m
叶宽：
弧长：
底距：
盘踞：
叶弦长：
叶距：
弯叶板厚：
δ=12〔mm
取两挡搅拌,搅拌转速N2可根据50m3罐,搅拌直径1.05m,转速N1=110r/min。
以等P0/V为基准[6]放大求得：
5.7搅拌轴功率的计算
淀粉水解糖液低浓度细菌醪,可视为牛顿流体。
计算Rem[8]
式中D——搅拌器直径,D=1.7m
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：
视为湍流,则搅拌功率准数Np=4.7
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=80r/min=1.33r/s
D——搅拌器直径,D=1.7m
ρ——醪液密度,ρ=1050kg/m3代入上式：
两挡搅拌：
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=80r/min
D——搅拌器直径〔cm,D3=1.73×106=4.9×106
Q——通风量〔ml/min,设通风比VVm=0.11~0.18,取低限,如通风量变大,Pg会小,为安全。
现取0.11；
则Q=155×0.11×106=1.7×107〔ml/min
代入上式：
求电机功率P电：
采用三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99,滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：
5.8设备结构的工艺计算
空气分布器：
本罐采用单管进风,风管直径φ133×4mm。
挡板：
本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管,故不设挡板
密封方式：
本罐采用双面机械密封方式,处理轴与罐的动静问题。
冷却管布置：
采用竖式蛇管
Ⅰ最高负荷下的耗水量W
式中Q总——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,4.18kJ/〔kg·K
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3.69×10-2m3/s,取冷却水在竖直蛇管中的流速为1m/s,根据流体力学方程式,冷却管总截面积S总为：
式中W——冷却水体积流量,W=3.69×10-2m3/s
V——冷却水流速,v=1m/s
代入上式：
进水总管直径：
Ⅱ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=8,求管径。
由上式得：
查金属材料表选取φ89×4mm无缝管[9],
认为可满足要求,
。
现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm,则两直管距离为600mm,两端弯管总长度为
：
Ⅲ冷却管总长度L计算：
由前知冷却管总面积
现取无缝钢管φ89×4mm,每米长冷却面积为
则:
冷却管占有体积：
Ⅳ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
则筒体部分液深为：
竖式蛇管总高
又两端弯管总长
两端弯管总高为600mm,
则直管部分高度：
则一圈管长：
Ⅴ每组管子圈数n0：
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。
Ⅵ.校核布置后冷却管的实际传热面积：
而前有F=232.5m2,
可满足要求。
5.9设备材料的选择[10]
选用A3钢制作,以降低设备费用。
5.10发酵罐壁厚的计算
计算法确定发酵罐的壁厚S
〔cm
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=500cm
〔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
选用14mm厚A3钢板制作。
封头壁厚计算：
标准椭圆封头的厚度计算公式[5]如下：
〔cm
式中P=0.4MPa
D=500cm
〔σ〕=127MPa
C=0.08+0.2+0.1=0.38〔cm
φ=0.7
5.11接管设计
接管的长度h设计：
各接管的长度h根据直径大小和有无保温层,一般取100~200mm。
接管直径的确定：
按排料管计算：
该罐实装醪量155m3,设4h之内排空,则物料体积流量
发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物。
管径：
取无缝管φ133×4mm,125.mm〉118mm,认为合适。
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,
。
利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf[8]
取风速v=25m/s,则风管截面积Ff为
则气管直径d气为：
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。
排料时间复核：
物料流量Q=0.0108m3/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
排料时间：
5.12支座选择选用裙式支座
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