谷氨酸发酵车间的物料衡算Word格式.doc
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糖化工艺参数：
糖化pH值
4.3
糖化酶规格
10万u/ml
糖化温度
60℃
加酶量（160u/g）
1.6L/T
糖化时间
25h
80℃
时间
培养基配方：
发酵培养基（W/V）
种子培养基（W/V）
水解糖
17％
4％
液氨
2％
0.24%
K2HP04
O.15%
MgS04•7H2O
0.06％
0.04％
MnS04
2mg/L
消泡剂
/
玉米浆
l.5%
灭菌各参数：
培养基灭菌
发酵罐灭菌
蒸汽
0.4MPa
0.2MPa
灭菌前物料温度
200M3发酵罐重
34.3t
预热
75℃
冷却排管
6t
加热
比热容
0.5KJ/Kg*K
冷却水始温
发酵罐始温
冷却水末温
45℃
发酵罐末温
127℃
灭菌时间
灭菌中其它蒸汽损耗
总汽耗30％
一、谷氨酸发酵车间的物料衡算
首先计算生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原材料以及其他物料量。
（一）、发酵液量
设发酵液初糖和流加高浓糖最终发酵液总糖浓度为180kg/，则发酵液量为：
式中 180——发酵培养基终糖浓度（kg/）
60%——糖酸转化率
95%——谷氨酸转化率
99%——除去倒罐率1%后的发酵成功率
124%——味精对谷氨酸的精制产率
（二）、发酵液配制需水解糖量，以纯糖计算：
（三）、二级种液量：
（四）、二级种子培养液所需水解糖量：
式中 40——二级种液含糖量（kg/）
（五）、生产1000kg味精需水解糖总量：
（六）、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：
式中 80%—淀粉原料含纯淀粉量
98.5%—淀粉糖化转化率
（七）、液氨耗用量：
二级种液耗液氨量：
2.4V2=0.96（kg）
发酵培养基耗液氨量：
20V1=160（kg）
共耗液氨量：
160+0.96=161.0（kg）
（八）、磷酸氢二钾耗量：
G（K2HPO4）=1.5V1+1V2=12+0.4=12.4（kg）
（九）、硫酸镁用量：
0.4V2+0.6V1=0.16+4.8=4.96（kg）
（十）、消泡剂耗用量：
0.4V1=3.2（kg）
（十一）、玉米浆耗用量：
15V2=6（kg）
（十二）、硫酸锰耗用量：
0.002V2=0.8（g）
（十三）、谷氨酸量：
发酵液谷氨酸含量为：
G1×
60%（1-1%）=1360×
0.6×
0.99=807.84（kg）
实际生产的谷氨酸（提取率95%）为：
807.84×
95%=767.45（kg）
45000t/a味精厂发酵车间的物料衡算表
物料名称
生产1t味精（100%）的物料量
生产45000t/a味精的物料量
每日物料量
发酵液量/
8
360000
1091
二级种液量/
0.4
18000
54.55
发酵水解用糖量/kg
1360
61200000
1885454.5
二级种培养用糖量/kg
16
720000
2181.8
水解糖总量/kg
1376
61920000
187636.4
淀粉用量/kg
1572.6
707670
214445.5
液氨用量/kg
161
72450
21954.55
磷酸二氢钾用量/kg
12.4
558000
1691
硫酸镁用量/kg
4.96
223200
676.4
消泡剂用量/kg
3.2
144000
436.4
玉米浆用量/kg
6
270000
818.2
硫酸锰用量/g
0.0008
36
0.11
谷氨酸量/kg
767.45
34535250
104652.3
二、谷氨酸发酵的热量衡算
热量衡算是根据能量守恒定律建立起来的，热平衡方程表示如下：
∑Q入=∑Q出+∑Q损————————（2-1）
式中 ∑Q入─输入的热量总和（kJ）
∑Q出─输出的热量总和（kJ）
∑Q损─损失的热量总和（kJ）
通常， ∑Q入=Q1+Q2+Q3 ————————（2-2）
∑Q出=Q4+Q5+Q6+Q7————————（2-3）
∑Q损=Q8 ————————（2-4）
式中 Q1—物料带入的热量（kJ）
Q2—由加热剂（或冷却剂）传给设备和所处理的物料的热量（kJ）
Q3—过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热等（kJ）
Q4—物料带出的热量（kJ）
Q5—加热设备需要的热量（kJ）
Q6—加热物料需要的热量（kJ）
Q7—气体或蒸汽带出的热量（kJ）
把（2-2）～（2-4）式代入（2-1）式，得
Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6+Q7+Q8
值得注意的是，对具体的单元设备，上述的Q1～Q8各项热量不一定都存在，故进行热量衡算时，必须根据具体情况进行具体分析。
连续灭菌和发酵工序热量衡算计算指标（以淀粉质为原料）
计算指标见表2.1。
表2.1计算指标
项目
工艺参数
淀粉糖化转化率
98.5%
10%
60%
谷氨酸提取收率
95%
124%
80%
40h
330d
（一）培养液连续灭菌用蒸汽量：
经工艺物料衡算结果，发酵采用发酵罐体积为200m3。
发酵罐装料系数85%，每罐产100%味精的量：
200×
0.85×
10%×
95%×
124%×
1.272=25.47（t/d）
式中 1.272——＝
年产商品味精4.5万吨，日产100%味精136.4吨.发酵周期为40h，需发酵罐台数：
取9台
由于装罐率，所以每罐初始体积160m3糖浓度18.0g/dl，灭菌前培养基含糖20.0g/dl，其数量：
每日投料罐次 取6罐次。
灭菌加热过程中用0.4MPa，I=2743KJ/kg，使用板式换热器将物料由20°
C预热至75°
C，再加热至120°
C，冷却水由20°
C升到45°
C。
消毒灭菌用蒸汽量（D）：
D=3212（kg/h）≈3.2（t/h）
式中：
3.97为糖液的比热容，[KJ/（kg·
°
C）]
每天用蒸汽量：
3.2×
3×
3=28.8（t/d）
高峰用蒸汽量：
4=12.8（t/h）
平均用蒸汽量：
28.8/24=1.2（t/h）
（二）发酵罐空罐灭菌蒸汽量：
1、发酵罐体加热：
200m3的发酵罐重34.3t，冷却排管重6t，比热容0.5KJ/（kg·
C），用0.2MPa（表压）蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15MPa（表压）下由20°
C升至127°
C，其蒸汽量为：
2、填充发酵罐空间的蒸汽量：
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×
1.39=278（kg/h）
V—发酵罐全容积（m3）
ρ—加热蒸汽的密度（kg/m3）0.15mPa（表压）时为1.39（kg/m3）
3、灭菌过程的热功当量损失：
200m3发酵罐的表面积为201㎡，耗用蒸汽量：
D损=
4、罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗：
0.001——附壁水平均厚度（1mm）
1000——水密度（kg/m3）
5、灭菌过程蒸汽渗漏，取总汽消耗量的30%，空罐灭菌蒸汽消耗量;
每空罐灭菌1.5h，用蒸汽量：
2148.6×
1.5=3222.9（kg/罐）
每日用蒸汽量：
3222.9=9668.6（kg/d）=9.7（t/d）
9668.6/24=402.9（kg/h）=0.4（t/h）
2148.64=8594.4（kg/h）=8.6（t/h）
（三）液化工艺热量衡算
1、液化加热蒸汽量
加热蒸汽消耗量Ｄ可按下式计算
D=G×
C×
（T2-T1）÷
[（h-i）η]
G——淀粉浆量（kg/h）
C——淀粉浆比热容kJ/（kg*K）
T2——浆料初温（20+273=293K）
T1——液化温度（95+273=368K）
h——加热蒸汽焓2738kJ/kg（0.3Mpa,表压）
i——加热蒸汽凝结水焓，在363K时为377kJ/kg
淀粉浆量G：
根据物料衡算，日投工业淀粉214.4t；
连续液化214.4/24=8.93（t/h）。
加水量为1:
2.5，分浆量为10600×
3.5=37100（kg/h）
粉浆比热C可按下式计算：
C=C0+C水
C=1.55+4.18=5.73kJ/（kg*K）
C0——淀粉质比热容，取1.55kJ/（kg*K）
C水——水的比热容，取4.18kJ/（kg*K）
蒸汽用量
D=（kg/h）=7.1（t/h）
2、灭酶用蒸汽量
灭酶时将液化液由90℃加热至120℃，在100℃时的i为419kJ/kg
D灭=（kg/h）=2.9（t/h）
要求在20min内使液化液由90℃升至120℃，则蒸汽高峰值为：
2.9×
4=11.6（t/h）
以上两项合计，
平均量：
（7.1+2.9）/2=5（t/h）；
每日用量：
5×
24=120（t/d）
（四）糖化工艺热量衡算
1、糖化加热蒸汽量
D2=G×
T1——糖化温度（60+273=333K）
连续糖化214.4/25=8.58（t/h）。
加酶量为1.6L/T淀粉。
蒸汽用量 D=（kg/h）=3.8（t/h）
灭酶时将糖化液由60℃加热至80℃，在80℃时的i为419kJ/kg
D灭=（kg/h）=1.9（t/h）
要求在20min内使糖化液由60℃升至80℃，则蒸汽高峰值为：
1.9×
4=7.7（t/h）
（1.9+3.8）/2=2.85（t/h）；
2.85×
24=68.4（t/d）
三、谷氨酸发酵的水平衡计算
培养基冷却用水量：
由120°
C热料通过与生料热交换，降至80°
C，再用水冷却至35°
C升至45°
C，计算冷却水量（W）：
W==68896（kg/h）=69（t/h）
全天用水量：
69×
4=828（t/d）
发酵过程产生的热量及冷却用水量。
发酵过程的热量通过发酵液温度升高进行计算：
关闭冷却水观察罐内发酵液温度升高，计算Q最大：
Q最大=[KJ/（m3·
h）]
G——发酵液重量（kg）
C——发酵液比热容[KJ/（kg·
C）
t——1h内发酵液温度升高数（°
G1——设备筒体的重量（kg）
C1——设备筒体的比热容[KJ/（m3·
V——发酵液体积（m3）
根据味精厂的实测和经验数，谷氨酸的发酵热高峰值约53341KJ/（m3·
h）
200m3发酵罐，装料量160m3使用新鲜水，冷却水进口温度10°
C，出口温度20°
C，冷却水用量（W）：
W==114832.5（kg/h）114.8（t/h）
日运转9台，高峰用水量：
114.89=1033.2（t/h）
日用水量：
1033.2×
0.8×
24=19837.4（t/h）
0.8——各罐发热状况均衡系数
平均用水量：
19837.4/24=826.6（t/h）
设备设计与选型
一、发酵罐
（一）发酵罐类型
选用机械涡轮搅拌通风发酵罐
（二）发酵罐容积的确定
随着科技的发展，现有的发酵罐容量系列有：
5，10，20，50，60，75，100，120，150，200，250，500m3等等。
一般说来单罐容量越大，经济性能越好，但风险也越大，要求技术管理水平也越高，根据生产的规模和实用性，可以先选择公称容积为200m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐。
（三）生产能力的计算
现每天产99%纯度的味精136.4吨，谷氨酸生产周期为40h（包括发酵、发酵罐清洗、灭菌进出物料等辅助操作时间）。
则每天需发酵液体积为V发酵。
每天产纯度为99%的味精136.4吨，每吨100%的味精需发酵糖液8m3：
V发酵=8×
136.4×
99%=1080.3（m3）
发酵罐填充系数为ψ=85%，则每天需要发酵罐的总容积为V0（生产周期为40h）。
V0=V发酵/ψ=1080.3/0.85=1271（m3）
（四）发酵罐个数的确定
以公称容积为200m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为基础，则需要发酵罐的个数为N。
N=V发酵τ/（V总ψ*24）=1080.3×
40/（200×
24）=10.6（个）
则需要取公称容积为200m3的发酵罐11个；
现以单灌公称容量为200m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐为例，每天需要200m3N0个：
N0=1271÷
200=6.36 约为7个
实际产量为：
富裕量：
（49087.5-45000）/45000=9%，满足产量要求。
（五）主要尺寸的计算：
取高径比H：
D=2：
1
则有：
因为 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。
（六）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）。
采用竖式蛇管换热器，取经验值K=4.18×
500kJ/（m3·
h·
℃）。
平均温差Δtm：
对公称容量200m3的发酵罐，每天装7罐，每罐实际装液量为
换热面积
（七）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Di=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：
（八）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
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）
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%；
代入公式数值得：
（九）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=45℃
t1——冷却水初温，t1=20℃
将各值代入上式：
冷却水体积流量为3.72×
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=3.72×
10-2m3/s
V——冷却水流速，v=1m/s
进水总管直径：
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，，，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：
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：
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：
每组管子圈数n0：
取8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）。
校核布置后冷却管的实际传热面积：
而前有F=231.5m2，，可满足要求。
（十）设备材料的选择：
选用A3钢制作，以降低设备费用。
（十一）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如下：
式中 P=0.4MPa
D=500cm
〔σ〕=127MPa
C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）
φ=0.7
将数据代入公式得：
（十二）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154.3m3，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。
因为
管径：
取无缝管φ133×
4mm，125.mm〉117mm，认为合适。
按通风管计算，压缩空气在0.2MPa下，支管气速为20~25m/s。
现通风比0.1~0.18vvm，为常温下20℃，0.15MPa下的情况，要折算0.2MPa、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
取风速v=25m/s，则风管截面积Ff为
因为
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=0.0115m3/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：
（十三）搅拌器：
采用六弯叶涡轮搅拌器。
直径：
Di＝0.3—0.35D
现取：
叶片宽度：
盘径：
搅拌器间距：
搅拌器转速N2，根据50L罐，470r/min，使用P0/V为基准放大[6]，50L 罐N1＝470r/min，搅拌器直径D1=112mm，两挡搅拌。
（十四）支座选型：
选用支撑式支座：
二、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。
（一）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5%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7罐，需二级种子罐8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8个足够，其中一个备用。
（二）、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：
1，则种子罐总容积量V'
总为：
简化方程如下：
整理后：
（m3）
D=1.85m
则 H=2D=2×
1.85=3.7（m）
查得封头高H'
封
罐体总高H'
罐：
单个封头容量：
V'
封=0.971（m3）
封头表面积：
S封=4.05m2
圆筒容量：
不计上封头容积：
校核种子罐总容积V'
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