发酵课程设计.docx

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发酵课程设计

味精发酵罐的设计

一、选题依据（拟开展研究项目的研究目的、意义）

目的：

味精，又名为谷氨酸钠，是烹饪中常用的一种鲜味调味品。

烹调时在菜里或汤里略加少许味精，立刻可使菜肴的味道更佳鲜香浓郁、味美可口。

2004年全球的味精市场约为1700000t，其年增长率预计为4%，2010年已达到2100000t。

由于我国味精产量增加，各项技术指标提高幅度大，产品成本降低，在国际市场上具有较强竞争力，2005年出口味精达100000t。

1909年味精作为商品问世以来已有105年历史。

早期味精是由酸法水解蛋白质进行制造的，自从1956年日本协和发酵公司用发酵法生产以后，发酵法生产迅速发展，目前世界各国均以此法进行生产。

实际上发酵法在微生物发酵阶段，主要是获得谷氨酸，制造味精是后续加工完成的。

当前，我国的味精生产发酵法占统治地位，而发酵生产的发酵罐仍是机械搅拌通风发酵罐。

意义：

近几年，随着味精生产的不断发展，产量迅速增加，生产规模不断扩大，作为发酵生产最关键的设备——发酵罐也在不断向大型化的方向发展。

在发酵设备向大型化发展的同时，人们更加重视对设备结构上的改进。

通过改进设备，增强了设备性能，降低造价，节约能源，提高了效益。

应用新的现代化技术成果来提高设计水平，增加技术含量，不断改进发酵罐的结构设计是现在和今后的发展趋势。

二、研究方案（主要研究内容、研究方法和技术路线）

研究内容：

1了解味精的性质及定义；

2了解味精的历史过程，经济价值；

3详细了解味精的制备菌体；

4了解制备的工艺和生产中所注意的问题；

5明白发酵罐体的结构；

6明白制备时防止其他的杂菌的污染和防范措施；

7体会发酵罐体的设计；

8绘制一幅发酵罐体，体会和思考设计中发现的问题。

研究方法：

1细心查找各类的网上资料；

2实地勘察，参观生物制药企业工厂，罐体；

3可以向工厂的工人，学者，研究人员等询问；

4亲手制作发酵罐的准备计划或者研究菌体等。

技术路线：

1了解发酵罐的结构；

2认识发酵罐的注意事项；

3制定所设计的发酵罐的种类；

4查找发酵罐体的参考数值；

5计算罐体的准确数值；

6参考其他的发酵罐，在图纸上画出自己的发酵罐体表明发酵罐的体系。

三、预期的结果和创新性

结果：

按照所操作的流程，生产中注意杂菌的污染，和培养菌体的保存确定准确的数值使的细胞培养和产物分泌处于最佳的状态，使菌体在生长代谢过程中产生最大量，最优质的所需的产物，发酵生产谷氨酸，进而生产味精，满足大众的需要，为当前的社会创造的巨大的经济价值。

创新：

以淀粉或大米为原料首先要制备葡萄糖，采用灌流式培养方法，提取工艺（浓缩连续等电点法），分离采用多步浓缩，步步检测，生产过程也是随时抽样调查，提高发酵的环境，严格进行消毒，严格监控发酵的参考数。

1根据代谢工程原理，定向选育获得稳定遗传的L谷氨酸高产菌；

2产酸高，杂酸少，培养粗放；

3采用清洁生产工艺，氨氮废水减少50%以上。

四、导师的评语及评分

签字：

2014年6月日

味精发酵罐的设计

一定义：

味精是调味料的一种，主要成分为谷氨酸钠。

味精是人们熟悉的鲜味剂，是L—谷氨酸单钠盐（Mono sodium glutamate）的一水化合物，具有旋光性，有D—型和L—型两种光学异构体。

注意的是如果在100℃以上的高温中使用味精，谷氨酸钠会转变成对人体有致癌性的焦谷氨酸钠。

由于炒菜时油温在150--200℃，这会使味精变成有毒性的焦化谷氨酸钠，所以，对于加入味精的半成品配菜的烹饪，应以蒸煮为妥。

还有如果在碱性环境中，味精会起化学反应产生一种叫谷氨酸二钠的物质，所以要适当的使用和存放。

二味精生产全过程可划分为四个工艺阶段:

原料的预处理及淀粉水解糖的制备; 

种子扩大培养及谷氨酸发酵; 

（3）谷氨酸的提取; 

（4）谷氨酸制取味精及味精成品加工。

1原料的预处理 

此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构，以便提高原料的利用率，同时去除固体杂质，防止机器磨损。

用于除杂的设备为筛选机，常用的是振动筛和转筒筛，其中振动筛结构较为简单，使用方便。

用于原料粉碎的设备除盘磨机外，还有锤式粉碎机和辊式粉碎机。

盘磨机广泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物料，而锤式粉碎机应用于薯干等脆性原料的中碎和细碎作用，辊式粉碎机主要用于粒状物料的中碎和细碎。

2淀粉水解糖制备 

在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制得的糖液称为淀粉水解糖。

由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。

目前，国内许多味精厂采用双酶法制糖工艺。

3种子扩大培养及谷氨酸发酵 

种子扩大培养为保证谷氨酸发酵过程所需的大量种子，发酵车间内设置有种子站，完成生产菌种的扩大培养任务。

从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至二级种。

子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子。

谷氨酸发酵开始前，首先必须配制发酵培养基，并对其作高温短时灭菌处理。

用于灭菌的工艺除采用连消塔—维持罐一喷淋冷却系统外，还可采用喷射加热器—维持管—真空冷却系统或薄板换热器灭菌系统。

但由于糖液粘度较大，流动性差，容易将维持管堵塞，同时真空冷却器及薄板加热器的加工制造成本较高，因而应用较少。

4谷氨酸制取味精及味精成品加工 

精制车间加工的谷氨酸产品为谷氨酸单钠，即味精。

粗品经提纯、加工、包装，得到成品。

三味精发酵生产影响条件：

现有谷氨酸生产菌分属于棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属氧。

谷氨酸产生菌是好氧菌，通风和搅拌不仅会影响菌种对氮源和碳源的利用率，而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量。

尤其是在发酵后期，加大通气量有利于谷氨酸的合成。

温度，菌种生长的最适温度为30～32℃。

当菌体生长到稳定期，适当提高温度有利于产酸，因此，在发酵后期，可将温度提高到34～37℃。

pH，谷氨酸产生菌发酵的最适pH在7.0～8.0。

但在发酵过程中，随着营养物质的利用，代谢产物的积累，培养液的pH会不断变化。

如随着氮源的利用，放出氨，pH会上升；当糖被利用生成有机酸时，pH会下降。

磷酸盐，它是谷氨酸发酵过程中必需的，但浓度不能过高，否则会转向缬氨酸发酵。

发酵结束后，常用离子交换树脂法等进行提取。

生物素，当生物素缺乏时，菌种生长十分缓慢；当生物素过量时，则转为乳酸发酵。

因此，一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产量的谷氨酸。

四发酵罐体的计算

1公称直径的确定 ：

发酵罐的公称容积V，一般系指筒身容积V0 与底封头容积Vb 之和。

底封头容积Vb近似地用下式计算。

2封头的主要尺寸：

曲面高度为800mm，直边高度为50mm,内表面积为11.6m2，容积4.69m3,壁厚22mm。

3发酵罐计算容积：

V实=V筒+2V封=3.14÷4×D^2×H﹢2V封

发酵罐的设计容积为70M3，所以取筒体高度为6m。

高径比取1：

1.875.

所以实际体积:

71.4m2

实际装液液面高度：

V液=46.2m3

L液=5.2m

罐灭菌压力为2atm，罐设计受压4atm（表压），材料：

不锈钢

D－罐体直径（D=3200mm）；

P－耐受压强 （取P=4）； 

φ  － 焊缝系数，双面焊取0.8 ；

[δ]－设计温度下的许用应力（kgf/c ）（取[δ]=35/4）； 

C －腐蚀裕度，当 δ－C<10mm时，C＝3mm；

S=10.9mm ≈11mm

4标准碟形封头:

δ＝11.18mm

本设计采用六弯叶涡轮搅拌器

搅拌器叶径d＝3200／3＝1066.67mm≈1067mm

叶宽B＝220mm

弧长I＝412mm

底距C＝1100mm

盘径d1＝825mm

叶弦长L＝275mm

叶距Y＝3200mm

弯叶板厚S＝12mm

转速校正:

＝102.5r／min

迈凯尔搅拌功率:

式中：

搅拌速率N＝1.71r／s

搅拌器直径，D=1.1m

醪液密度:

ρ＝1050kg／m³

醪液粘度:

υ＝1.3×10^-3（N•s）／m²

不通气时的搅拌轴功率P0:

搅拌速率N＝1.71r／s

搅拌器直径，D=1.1m

醪液密度:

ρ＝1050kg／m³

搅拌器档数Ni＝2

所以po＝59.7kw

通气时的轴功率Pg

Pg＝49.3kw

电机功率电P电

采用三角带转动效率：

η1＝0.92

滚动轴承效率：

η2＝0.99

故P电＝54.7kw

5轴径计算：

发酵罐竖直安装，皮带轮直接装于支座边旁，无弯曲载荷影响，仅考虑扭转作用，轴径计算主要以扭转强度和扭转刚度。

轴上最大剪应力≈轴材料允许的剪应力

轴传递功率（马力）d＝214.4

轴的转速（r/min）n=102.5

A=12.21

所以d＝15.6cm

按扭转刚度计算应满足轴上最大扭转角度≤许用的扭转角度。

d：

所求的轴径（cm）      

N：

轴转动转速（马力），N=214.4      

n：

轴的转速（r/min）n=102.5 

B：

传动系数，该传动系数为一般传动，取[φ]＝2/1查得B=10

综上所述，设计轴径为120mm。

6热能

热负荷q=生物合成热1q+搅拌热2q-汽化热3q-辐射热4q

（1）生物合成热1q 

根据实际测定，每立方米发酵液每小时最大发热量为4000×4.18kj／﹙㎥•h﹚

q1＝772464kj／h

搅拌热的计算q2

根据经验公式：

q2＝p×860×4.187＝576131kj／h

7汽化热的计算

式中：

G’:

工作状态下通入发酵罐的空气质量流量（Kg绝干空气/h）       

1I:

发酵罐空气进口热焓（KJ/Kg）       

1I：

发酵罐空气出口热焓（KJ/Kg）

①空气比容计算

＝0.5774㎥／kg

②干空气流量计算

＝960kg／h

③出罐空气状态：

所以出罐空气绝对湿度X8=0.0186水／kg

④热焓计算

进罐空气热焓I1＝38.95kj／kg

出罐空气热焓I2＝79.75kj／kg

辐射热计算4q计算

＝79093kj／h

⑤热负荷总q计算

＝711845kj／h

传热面积F3的计算

冷却水用自来水，进口温度15，经设计校核，确定出口温度为22℃

＝2.428t／h

发酵液35℃―30℃ 冷却水15℃―20℃

T1＝8℃

T2＝13℃

传热面积F3＝3.06㎡

⑥冷却管截面计算

＝0.02369㎥／s

do＝0.081m

查表，取φ89×3.5无缝钢管作为冷却蛇管

D＝85.5mm

8冷却管长度设计 

取竖直蛇管U型曲径为150mm，则两管距离为300mm冷却管长度L=403.1m。

管组高度H计算：

 蛇管排布要求：

上不露液面，下不低于封头直边，可排蛇管高度即圆柱部分静液面高度。

则直管部分高 h=5500-300=5200mm。

管子圈数=9

t：

管子的中心距，t=0.2

D：

冷却蛇管外径=0.075m

H=2,0m

9换热面积验算

=105.7㎡

式中：

平d：

冷却蛇管平均直径（m）       

0n：

每组冷却蛇管圈数       

n：

冷却蛇管管组数       

L：

一圈蛇管长度

10灭菌后冷却要求计算：

设计冷却时间为8小时，发酵液冷却热量q’

=3188526.1j／h

式中：

G：

发酵液重量=77000kg

C：

发酵液比热=0.92×4.187kj／kg•℃

t：

灭菌后冷却终温，35℃

2t：

灭菌温度，121℃

t水进=15℃t水出=53℃

t平=78℃

所以Δt=41.1℃

=37.5＜F实

因此，经灭菌后冷却校核，符合设计要求

11培养基灭菌蒸汽耗量计算：

整齐压力为4个大气压，该状态下整齐热焓（653.3－100）×4.187kj/kg

培养基从25℃升温到21℃,平均比热为0.95×4.187kj/kg•℃,因此考虑到实罐灭菌后有大约1.5吨的冷凝水，因此每批投料量为219.5吨。

12发酵罐的培养液的灭菌最大蒸汽消耗量为：

=35971.9kg

保温30分钟，消耗蒸汽为占升温时的20%=7194.4kg

空罐灭菌消耗蒸汽约占升温时的20%=7194.4kg

灭菌平均在1.5小时内完成，则每小时蒸汽用来灭菌而消耗的量：

D=33573.8kg/h

每罐灭菌需蒸汽量为:

Di=12590.2kg/h

13排料管设计

发酵罐的装液量为70×66％=46.2㎥,假设2小时内排空，则发酵液体积流：

Q=0.006㎥/s

发酵醪液流速取V=1m/s，排料管截面积为物F

＝0.006㎡

管径D＝0.087mm

14接通风管

压缩空气0.4MPa，支管气体流速为20~25m/s,现通风比为0.2~0.5vvm,空压机进口空气温度t=25,压强=0.1MPa.发酵罐入口无菌空气温度t=35,p=0.4MPa。

工作状态下的风量Qf

＝1.27㎥/s

D气=225mm

15传动装置

采用三角皮带传动,选用口型皮带小皮带轮的直径D=225mm

大皮带轮的直径

n小=1600r/min

n大=1.39r/min

故D大=1150mm

检查：

=0.2%<5%符合要求

皮带转速

=8.6m/s

一般两皮带轮中心距

Ao＝1035mm

16发酵罐的支座

尺寸为：

a=200 ，b=225 ，c=260 ，e=100 ，S=16 ，L=330 ，H=400

消泡器形式:

锯齿型   材料：

不锈钢d=1330mm

人孔 直径D为600mm的人孔管口。

17发酵罐的特殊要求：

1要提供菌体的生长的最适条件；

2培养过程不得污染；

3保证纯菌培养；

4培养及消毒过程不得游离出异物，不得干扰细菌代谢活动。

五操作步骤及注意事项

⑴发酵罐的使用方法和操作步骤

1、校正溶氧电极和pH电极；

2、罐体灭菌。

根据需要将培养基配入罐体，按要求封好后将罐体放入大灭菌；

3、待罐体冷却后，将其置于发酵台上，安装完好；打开冷却水，打开气泵电源，连接通气管道开始通气，调节进气旋钮使通气量适当；打开发酵罐电源，设置温度、pH、搅拌速度等，640r/min下开机转动30min，设定溶氧电极为100；

4、待温度稳定，各项参数都正确后，将预摇好的种子接入，开始发酵计时，并开始记录各种参数；

5、发酵完毕后清洗罐体和电极，将电极插入有4M氯化钾的三角瓶中待用；

6、按要求填写登记本。

⑵注意事项：

1、罐体灭菌前务必检查其中液面高度，要求所有的电极都没于液面以下；

2、打开发酵罐电源前务必检查冷却水是否已打开，温度探头是否已插入槽中，否则会烧坏加热电路；

3、发酵过程中一定要保持工作台的清洁，用过的培养瓶及其它物品及时清理，因故溅出的酸碱液或水应立即擦干；

4、对罐体安装，拆卸和灭菌时要特别小心pH电极和罐体的易损又昂贵部件。