年产15万吨味精发酵车间设计说明书.doc

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河北经贸大学毕业论文

年产1.5万吨味精工厂发酵车间设计说明书

引言

味精是人们熟悉的鲜味剂，是L—谷氨酸单钠盐（Monosodiumglutamate）的一水化合物（HOOC-CH2CH（NH2）-COONa·H20），具有旋光性，有D—型和L—型两种光学异构体。

味精具有很强的鲜味（阈值为0.03%），现已成为人们普遍采用的鲜味剂，其消费量在国内外均呈上升趋势。

1987年3月，联合国粮农组织和世界卫生组织食品添加剂专家联合委员会第十九次会议，宣布取消对味精的食用限量，再次确认为一种安全可靠的食品添加剂［1］。

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。

谷氨酸发酵是通气发酵，也是我国目前通气发酵产业中，生产厂家最多、产品产量最大的产业［2］。

该生产工艺和设备具有很强的典型性，本文对味精发酵生产工艺及主要设备作简要介绍，以期有助于了解通气发酵工艺和主要设备的有关知识。

设计内容为，了解味精生产中的原料预处理、发酵、提取部分的生产方法和生产流程，根据实际情况来选择发酵工段合适的生产流程，并对流程中的原料进行物料衡算、热量衡算及设备的选择。

最后，画出发酵工段的工艺流程图和平面布置图。

整个设计内容大体分成三部分，第一部分主要是味精生产的工艺和设备选择；第二部分包括发酵罐、种子罐及空气分过滤器的设计与选型；第三部分是工艺流程和平面布置图。

由于我的水平有限，加之对先进设计的了解甚少，设计中有好多不足的地方敬请各位老师和同学批评指正。

1味精生产工艺

1.1味精生产工艺概述

味精生产全过程可划分为四个工艺阶段:

（1）原料的预处理及淀粉水解糖的制备;

（2）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。

与这四个工艺阶段相对应味精生产厂家一般都设置了糖化车间、发酵车间、提取车间和精制车间作为主要生产车间。

另外，为保障生产过程中对蒸汽的需求，同时还设置了动力车间，利用锅炉燃烧产生蒸汽，并通过供气管路输送到各个生产需求部位。

为保障全厂生产用水，还要设置供水站。

所供的水经消毒、过滤系统处理，通过供水管路输送到各个生产需求部位［4］。

味精发酵法生产的总工艺流程见图1。

空气

菌种

原料

空气压缩机

预处理

斜面培养

摇瓶扩大培养

冷却

水解

除铁

离心

沉淀

发酵

配料

过滤

气液分离

种子罐扩大培养

过滤

淀粉水解糖

过滤除菌

脱色

浓缩结晶

离心

等电点调节

过滤

干燥

大结晶

干燥

母液

小结晶

粗谷氨酸

拌盐粉碎

粗谷氨酸

成品味精

粉状味精

离子交换处理

溶解

粗谷氨酸溶液

中和制味精

图1味精生产总工艺流程图

1.2原料预处理及淀粉水解糖制备

1.2.1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［3］。

1.2.2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。

1.3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。

发酵设备，国内味精厂大多采用机械搅拌通风通用式发酵罐，罐体大小在50m3到200m3之间。

对于发酵过程采用人工控制，检测仪表不能及时反映罐内参数变化，因而发酵进程表现出波动性，产酸率不稳定。

由于谷氨酸发酵为通风发酵过程，需供给无菌空气，所以发酵车间还有一套空气过滤除菌及供给系统。

首先由高空采气塔采集高空洁净空气，经空气压缩机压缩后导入冷凝器、油水分离器两级处理，再送入贮气罐，进而经焦炭、瓷环填充的主过滤器和纤维分过滤器除菌后，送至发酵罐使用。

在北方地区由于空气湿度小、温度低，还可采用空气压缩、冷却过滤流程，省去一级冷却设备［4］。

1.4谷氨酸的提取

谷氨酸的提取一般采用等电点—离子交换法，国内有些味精厂还采用等电点—锌盐法、盐酸水解—等电点法及离子交换膜电渗析法提取谷氨酸。

但存在废水污染大，生产成本高，技术难度大等问题，应用上受到限制［1］。

1.5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。

味精中和液的脱色过程，除使用碳柱外，还可使用离子交换柱，利用离子交换树脂的吸附色素。

味精的干燥过程，国内许多厂家还采用箱式烘房干燥，设备简单，投资低，但操作条件差，生产效率低，不适应大规模生产的要求。

也有的厂家使用气流干燥技术，生产量大，干燥速度快，干燥时间短，但干燥过程对味精光泽和外形有影响，同时厂房建筑要求较高，这样均不如振动式干燥床应用效果好[4]。

2发酵罐及种子罐的设计与选型

2.1味精工厂发酵车间的物料衡算

2.1.1工艺技术指标及基础数据

（1）查《发酵工厂工艺设计概论》P326表3味精行业国家企业标准［5］，选用主要指标如表1

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

15000（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

50

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

（2）主要原材料质量指标淀粉原料的淀粉含量为80%，含水14%。

（3）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。

（4）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。

（5）接种量为2%。

2.1.2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。

（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

99%——除去倒灌率1%后的发酵成功率

112%——味精对谷氨酸的精制产率

（2）发酵液配制需水解糖量G1

以纯糖算，

（3）二级种液量V2

（4）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）

（5）生产1000kg味精需水解糖总量G为：

（6）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80%——淀粉原料含纯淀粉量

95%——淀粉糖转化率

（7）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627.5kg

（8）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69.9kg

（9）氯化钾耗量GKCl

（10）磷酸氢二钠（Na2HPO4·7H2O）耗量G3

（11）硫酸镁（MgSO4·7H2O）用量G4

（12）消泡剂（泡敌）耗用量G5

（13）植物油耗用量G6

（14）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80%）为：

2.1.315000t/a味精厂发酵车间的物料衡算结果

由上述生产1000kg味精（100%纯度）的物料衡算结果，可求得15000t/a味精厂发酵车间的物料平衡计算。

具体计算结果如表2

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）

15.66

2.35×105

783

二级种液（m3）

0.313

4695

15.65

发酵水解用糖（kg）

2349

3.52×107

1.17×105

二级种培养用糖（kg）

7.83

1.18×105

391.5

水解糖总量（kg）

2356.8

3.53×107

1.18×105

淀粉（kg）

2793.7

4.19×107

1.40×105

尿素（或液氨）

627.5

9.41×106

3.14×104

糖蜜（kg）

69.9

1.05×106

3495

氯化钾（kg）

12.53

1.88×105

626.5

磷酸氢二钠（kg）

3.13

4.70×104

156.5

硫酸镁（kg）

9.58

1.44×105

479

泡敌（kg）

9.4

1.40×105

470

植物油（kg）

23.5

3.53×105

1175

谷氨酸（kg）

893

1.34×107

44650

表215000t/a味精厂发酵车间的物料衡算

2.2设备设计与选型

2.2.1发酵罐

（1）发酵罐的选型

选用机械涡轮搅拌通风发酵罐

（2）生产能力、数量和容积的确定

①发酵罐容积的确定：

选用200m3罐

②生产能力的计算：

现每天生产99%纯度的味精50t，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）。

则每天需糖液体积为V糖。

每天产纯度为99%的味精50t，每吨100%的味精需糖液15.66m3

设发酵罐的填充系数φ=70%；则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V0（发酵周期为48h）。

③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

（3）主要尺寸的计算：

取高径比H：

D=2：

1[6]

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。

（4）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/（m3·h）[5]。

采用竖式蛇管换热器，取经验值K=4.18×500kJ/（m3·h·℃）[8]。

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）搅拌器计算选用六弯叶涡轮搅拌器[6]。

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：

（6）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。

①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

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=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：

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=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：

④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%[7]；代入公式数值得：

（7）设备结构的工艺计算

①空气分布器：

本罐采用单管进风，风管直径φ133×4mm。

②挡板：

本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板

③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。

④冷却管布置：

采用竖式蛇管[7]

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。

（8）设备材料的选择[10]

选用A3钢制作，以降低设备费用。

（9）发酵罐壁厚的计算

①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。

②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

（10）接管设计

①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。

②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：

（11）支座选择选用裙式支座

2.2.2种子罐

发酵所需的种子从试管斜面出发，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。

种子罐冷却方式采用夹套冷却。

（1）二级种子罐容积和数量的确定

①二级种子罐容积的确定：

接种量为2%计算，则种子罐容积V种2为：

式中V总——发酵罐总容积（m3）

②二级种子罐个数的确定：

种子罐与发酵罐对应上料。

发酵罐平均每天上5罐，需二级种子罐6个。

种子罐培养8h，辅助操作时间8~10h，生产周期16~18h，因此，二级种子罐6个已足够，其中一个备用。

③主要尺寸的确定种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。

H：

D=2：

1，则种子罐总容积量V'总为：

简化方程如下：

整理后

解方程得

D=1.4m

则

H=2D=2×1.4=2.8（m）

查得封头高H'封

罐体总高H'罐：

单个封头容量：

V'封=0.398（m3）

封头表面积：

S封=2.23m2

圆筒容量：

不计上封头容积：

校核种子罐总容积V'总：

比需要的种子罐容积4.6m3大，可满足设计要求。

④冷却面积的计算采用夹套冷却

Ⅰ发酵产生的总热量：

Ⅱ夹套传热系数：

现取K=4.18×220kJ/（m2·h·℃）

Ⅲ平均温差：

发酵温度32℃；水初温20~23℃，取23℃；水终温27℃，则

平