年产XX万吨谷氨酸厂发酵罐研究设计.docx
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年产XX万吨谷氨酸厂发酵罐研究设计
长江师范学院
年产2万吨谷氨酸厂
发酵罐设计说明书
设计人:
龙丹
学号:
200909021120
班级:
2009级生物工程1班
设计时间:
2011.12.5~12.25
指导老师:
陈今朝
成绩:
1前言................................................................................................1
2设计理念与方案............................................................................3
3任务书设计主体............................................................................4
3.1谷氨酸生产工艺流程、工艺技术指标及基础数据..................4
3.1.1谷氨酸发酵工艺流程示意图...................................................4
3.1.2工艺技术指标及基础数据.......................................................5
3.1.3谷氨酸发酵车间的物料衡算..................................................5
3.1.420000t/a谷氨酸厂发酵车间的物料衡算表.......................7
3．2发酵罐的设计与选型.............................................................8
3．2．1发酵罐的选型....................................................................8
3．2.2发酵罐的生产能力、容积及个数的确定..........................8
3．2.3主要尺寸的计算...............................................................8
3.2.4冷却面积的确定......................................................................9
3.2.5搅拌器设计............................................................................10
3.2.6搅拌轴功率的确定................................................................11
3.2.7设备结构的工艺设计............................................................12
3.2.8竖直蛇管冷却装置设计........................................................12
3.2.9设备材料的选择.....................................................................15
3.2.10发酵罐壁厚的计算..............................................................15
3.2.11接管设计..............................................................................16
4设计结果与讨论........................................................................18
1前言
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[1]。
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[2]。
1909年味精作为商品问世以来已有102年历史[3]。
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[4]。
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。
谷氨酸学名是α-氨基戊二酸，结构式为HOOC-CH2-CH2-CH（NH2）-COOH[5]。
谷氨酸在水中溶解度小，但其钠盐溶解度较大[6]。
谷氨酸分子中有两个羧基，一个氨基，具有酸味，中和成一钠盐后，酸味消失而鲜味增加[6]。
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，即大家常说的通用罐。
它是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合，促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵和代谢所需要的氧气。
它主要由罐体、搅拌器、挡板、轴封、空气分布器、传动装置、冷却管、消泡器、人孔、视镜等组成[7]。
现在国内最常用的发酵罐为200~400m3[2]，有关通用式发酵罐的系列尺寸如表1-1所示。
表1-1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
0.112m
1.14m3
5.0m3
1500mm
3000mm
400mm
3800mm
0.487m
5.3m3
10m3
1800mm
3600mm
475mm
4550mm
0.826m
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
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。
我国独立研发设计的790m3超大型发酵罐2006年已成功投产，该设备由沈阳宏成生物工程技术研发中心设计的，这是至今国内外最大容积的谷氨酸发酵罐[2]。
此设备充分考虑了传质。
传热、溶氧、功耗、细菌生长和发酵水平诸多因素。
该设备投产、运行稳定，控制性能好，发酵产酸率和转化率都比较高。
2设计理念与方案
本任务书拟选择味精发酵生产中最关键的设备，发酵罐作为设计主题，并以年产2万吨为规模进行模拟设计，并决定选用历史比较悠久，资料较齐全的机械搅拌通风发酵罐，作为任务书的主要设计目标
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。
发酵罐的设计与选型，除了计算发酵罐罐体的尺寸、各部结构、搅拌功率、壁厚和容积等，还应该绘出发酵罐结构图和发酵设备图。
根据以上思路，初步考虑任务书进行过程可以分为三个阶段：
第一阶段：
查阅资料确定谷氨酸的生产工艺流程并初步考虑发酵罐及相关设备轮廓。
第二阶段：
任务书进入实行阶段，包括物料衡算、发酵罐选型计算以及绘图等。
第三阶段：
完善任务书和数据阶段。
3任务书设计主体
3.1谷氨酸生产工艺流程、工艺技术指标及基础数据
3.1.1.谷氨酸发酵工艺流程示意图
谷氨酸发酵采用淀粉原料，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。
其工艺流程示意图如图3-1所示。
空气
菌种
淀粉
高效前置过滤器
斜面培养
调浆
空气压缩机
摇瓶扩大培养
喷射液化
除铁
离心
沉淀
冷却
种子罐扩大培养
过滤
淀粉水解糖
丝网分离器
脱色
↓
过滤除菌
浓缩结晶
配料
干燥
发酵
粉碎
等电点调节
母液
粗谷氨酸
过滤
成品味精
粗谷氨酸
离子交换处理
溶解
粗谷氨酸溶液
中和制味精
图3-1谷氨酸精制生产总工艺流程图
3.1.2工艺技术指标及基础数据
（1）.主要技术指标表
表3-2主要技术指标
指标名称
单位
指标数
生产规模
t/a
20000（味精）
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
66.67
产品质量
纯度99%
发酵周期
h
41
淀粉糖化转化率
%
109
糖酸转化率
%
61
谷氨酸提取率
%
96
发酵初糖
Kg/m3
150
流加高浓糖
%
500
麸酸谷氨酸含量
%
95
味精对谷氨酸产率
%
122
倒罐率
%
0.2
（2）主要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50，蜜糖20，磷酸二氢钾1.0，硫酸镁0.6，玉米浆5~10，泡敌0.6，生物素0.02mg，硫酸锰2mg/L，硫酸亚铁2mg/L。
（4）发酵初始培养基（g/L）水解糖150，蜜糖4，硫酸镁0.6，氯化钾0.8，磷酸0.2，生物素2μg，泡敌1.0.接种量8%。
3.1.3谷氨酸发酵车间的物料衡算
首先计算生产1000Kg纯度为100%的味精需要耗用的原材料以及其他物料量。
（1）发酵液量
设发酵初糖和溜加高浓度糖最终发酵液总糖浓度为220Kg/m3，则发酵液量为：
1000
V1==6.38m3
220×61%×96%×99.8%×122%
式中220发酵培养基终糖浓度（Kg/m3）
61%糖酸转化率
96%谷氨酸提取率
99.8%出去倒罐率0.2%后的发酵成功率
122%味精对谷氨酸的精制产率
（2）发酵液配制需水解糖量
以纯糖计算m1=220V1=1403.6（Kg）
（3）二级种子液量
V2=8%V1=0.5104（m3）
（4）二级种子培养液所需水解糖量
m2=50V2=25.52（Kg）
式中50二级种子液含糖量（Kg/m3）
（5）生产1000Kg味精需水解糖总量
m=m1+m2=1429.12（Kg）
（6）耗用淀粉原料量
理论上，100Kg淀粉转化生成葡萄糖量为111Kg，故耗用淀粉量为：
1429.12
m淀粉==1476.49（Kg）
80%×109%111%
式中80%淀粉原料的淀粉含量
109%淀粉糖化转化率
（7）液氨耗用量发酵过程中用液氨调pH和补充氮源，耗用260~280Kg；此外，提取过程中耗用160~170Kg，合计每吨味精消耗420~450Kg。
（8）甘蔗糖蜜耗用量
二级种液耗用糖蜜量为：
20V2=10.208（Kg）
发酵培养基耗糖蜜量为：
4V1=25.52（Kg）
合计耗用糖蜜35.728Kg
（9）氯化钾耗用量
m3=0.8V1=5.14（Kg）
（10）磷酸二氢钾（KH2PO4H2O）耗用量
m4=1.0V2=0.5104（Kg）
（11）硫酸镁（MgSO47H2O）耗用量
m5=0.6（V1+V2）=4.13424（Kg）
（12）消泡剂（泡敌）耗用量
m6=1.0V1=6.38（Kg）
（13）玉米浆耗用量（8g/L）
m7=8V2=4.038（Kg）
（14）生物素耗用量
m8=0.02V2+0.002V1=0.022968（g）
（15）硫酸锰耗用量
m9=0.002V2=1.020（g）
（16）硫酸亚铁耗用量
m10=0.002V2=1.0208（g）
（17）磷酸耗用量
m11=0.2V1=1.276（Kg）
（18）谷氨酸量
发酵液谷氨酸含量为：
m1×61%（1—0.2%）=854.48（Kg）
实际生产的谷氨酸（提取率96%）为
854.48×96%=820.30（Kg）
3.1.420000t/a谷氨酸厂发酵车间的物料衡算表
由上述生产1000Kg谷氨酸（纯度100%）的物料衡算结果，可求得20000t/a谷氨酸厂发酵车间的物料平衡计算。
具体结果如表3-3所示。
物料名称
生产1t（100%）的物料量
20000t/a谷氨酸生产的物料量
每日物料量
发酵液量./m3
6.38
127.6×103
425.3546
二级种液量/m3
0.5104
10.208×103
34.028368
发酵水解用糖量/Kg
1403.6
280.72×105
93.578×103
二级种培养用糖量/Kg
25.52
510.4×103
1701.41
水解糖总量/Kg
1429.12
285.824×105
95.279×103
淀粉用量/Kg
1476.49
295.298×105
98.437×103
液氨用量/Kg
420
84×105
28.0014×103
糖蜜用量/Kg
35.728
7.1456×105
2.3819×103
氯化钾用量/Kg
5.14
1.028×105
342.6
磷酸二氢钾用量/Kg
0.5104
1.0208×104
34.028
硫酸镁用量/Kg
4.13424
8.2684×104
275.630
泡敌用量/Kg
6.38
127.6×103
425.3546
玉米浆用量/Kg
4.038
8.076×104
269.213
生物素用量/g
0.022968
459.36
1.5313
硫酸锰用量/g
1.020
2.04×104
68.0034
硫酸亚铁用量/g
1.0208
2.0416×104
68.056
磷酸用量/Kg
1.276
2.552×104
85.07
谷氨酸用量/Kg
820.30
106.06×105
54.689×103
表3—3
3．2发酵罐的设计与选型
3．2．1发酵罐的选型
发酵罐的选型选用机械搅拌通风发酵罐。
3．2.2发酵罐的生产能力、容积及个数的确定
（1）发酵罐容积的确定：
选用公称容积为450m3的发酵罐
（2）生产能力的计算：
每天需糖液体积V糖为：
V糖=6.38×100×99%=631.62（m3）
式中6.38——生产1t味精（100%）的发酵液量，（m3）
若取发酵罐的填充系数a=75%，则每天需要发酵罐总容积V0为
V糖631.62
V0===842.16（m3）
a75%
（3）发酵罐个数的确定：
公称容积为450m3的发酵罐，其全容积为500m3。
每日需要的发酵罐数N0为：
V0842.16
N0===≈2（个）
V总500
共需要的发酵罐数N1为:
V0τ842.16×41
N1==≈3（个）
24V总24×500
每天应有2个发酵罐出料，共需要3个发酵罐。
500×75%×2×300
实际产量验算：
=35622.684（t）
6.38×99%
35622.684-20000
设备富余量为：
=78.11%
20000
能满足生产要求。
3．2.3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。
）
m
（
500
V
2
V
V
3
=
+
=
封
筒
全
为了提高空气利用率，罐的高径比取2[2]。
H=2D
ππ
V全=V桶+2V封=D2/[2D+2（h+D）]=500m3
46
椭圆形封头的直边高度忽略不计，以方便计算。
）
m
（
500
2
D
24
D
2
D
785
.
0
V
2
V
V
3
3
2
=
⨯
π
+
⨯
=
+
=
封
筒
全
解方程得D=6.42（m）取6.5（m）H=2D=13（m）
圆柱部分容积V桶为：
V桶=0.785D2×2D=430（m3）
π
上下封头体积V封为：
V封=D3=34.5（m3）
24
全容积验算：
V‘全=V桶+2V封=430+34.5×2=499（m3）
V‘全≈V全符合设计要求，可行
3.2.4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：
（3.2.4-1）[2]
式中S冷却面积，m2
Q换热量，kJ/h
Dtm平均温度差，℃
K总传热系数，kJ/（m2·h·℃）
500m3灌装液量为
500×75%=375（m3）
Q=375×4.18×6000=9405000（kJ/h）
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Dtm为：
K值取4.18×500kJ/（m2·h·℃）[8]，
）
m
（
5
.
562
8
500
18
.
4
9405000
t
K
Q
S
2
m
=
⨯
⨯
=
∆
=
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：
）
m
（
16
.
2
3
6.5
3
D
D
i
=
=
=
取2.2m。
叶宽B为：
）
m
（
44
.
0
2
.
2
2
.
0
D
2
.
0
B
i
=
⨯
=
=
弧长l为：
）
m
（
825
.
0
2
.
2
375
.
0
D
375
.
0
l
i
=
⨯
=
=
底距C为：
）
m
（
16
.
2
3
6.5
3
D
C
=
=
=
取2.2m。
盘径di为：
）
m
（
65
.
1
2
.
2
75
.
0
D
75
.
0
d
i
i
=
⨯
=
=
叶弧长L为：
）
m
（
55
.
0
7
.2
2
25
.
0
D
25
.
0
L
i
=
⨯
=
=
叶距Y为：
Y=D=6.5（m）
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
d1——模型搅拌器直径，d=1.65m
d2——放大的搅拌器直径，d=2.2m
2
3
2
3
将各值代入上式
d11.65
n2=n1=110×
d22.2
=90.8（r/min）
=1.51（r/s）
取两档搅拌，搅拌转速90.8r/min。
3.2.6搅拌轴功率的确定
（1）不通气条件下的轴功率计算：
ρ
=
5
3
p
d
n
N
P
（
式中Np功率数,Np=4.8
N搅拌器的转速，n=1.51r/s
D搅拌器直径，d=2.2m
ρ流体密度，ρ=1070kg/m
将各值代入上式
P=NPn3d5ρ=4.8⋅（1.51）3⋅（2.2）5⋅1070
=188288.545（W）
=188.288545（kW）
（2）通气发酵轴功率计算：
39
.
0
.
、
3
2
3
g
Q
nd
P
10
25
.
2
P
⎪
⎪
⎭
⎫
ç
ç
⎝
⎛
⨯
⨯
=
-
式中P不通气条件下的轴功率，P=188.288545kW
N搅拌器的转速，n=90.8r/mim
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