生化工廠設(shè)計(jì)概論課程設(shè)計(jì) 題目：年產(chǎn) 3萬(wàn)噸味精工廠發(fā)酵車間設(shè)計(jì) 學(xué) 院：生 命 科 學(xué) 學(xué) 院 專 業(yè) ：生 物 工 程 年 級(jí) ： 06 級(jí) 姓 名 ： XXX 學(xué) 號(hào) ： XXX 指導(dǎo)教師 ： XXX 時(shí) 間： 2009 年 12 月 9 日 1 前言 課程設(shè)計(jì) 是普通高 校本科教育 中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié) ，同時(shí)也是理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的重要環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)為年產(chǎn) 3 萬(wàn)噸味精廠的生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)，通過(guò)雙 酶法谷氨酸中糖發(fā)酵以及一次等電點(diǎn)提取工藝生產(chǎn)谷氨酸鈉。 谷氨酸單鈉（ monosodium glutamate） ,呈強(qiáng)烈鮮味，商品名為味精。因味精具有肉類鮮味，現(xiàn)已成為人們普遍采用的鮮味劑，其消費(fèi)量在國(guó)內(nèi)外均呈上升趨勢(shì)。隨著人們對(duì)味精的認(rèn)識(shí)不斷深入提高，對(duì)它的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、安全性及如何正確使用都有了普遍的了解。味精具有很強(qiáng)的鮮味（值為 0.03%），現(xiàn)已成為人們普遍采用的鮮味劑，其消費(fèi)量在國(guó)內(nèi)外 均呈上升趨勢(shì)。 1987 年 3 月，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織食品添加劑專家聯(lián)合委員會(huì)第十九次會(huì)議，宣布取消對(duì)味精的食用限量，再次確認(rèn)為一種安全可靠的食品添加劑。 味精是一種強(qiáng)堿弱酸鹽，它在水溶液中可以完全電離變成谷氨酸離子（ GA+ ）和鈉離子。味精進(jìn)入胃后，受胃酸作用生成谷氨酸。谷氨酸被人體吸收后，參與體內(nèi)許多代謝反應(yīng)，并于其他許多氨基酸一起共同構(gòu)成人體組織的蛋白質(zhì)。味精可以增進(jìn)人們的食欲，提高人體對(duì)其他各種食物的吸收能力，對(duì)人體有一定的滋補(bǔ)作用。因?yàn)槲毒锖写罅康墓劝彼幔侨梭w所需要的一種氨基酸， 96能被人體吸收，形成人體組織中的蛋白質(zhì)。它還能與血氨結(jié)合，形成對(duì)機(jī)體無(wú)害的谷氨酰胺，解除組織代謝過(guò)程中所產(chǎn)生的氨的毒性作用。因此，谷氨酸能用來(lái)預(yù)防和治療肝昏迷。由于谷氨酸參與腦組織的蛋白質(zhì)代謝和糖代謝，故而能促進(jìn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正?；顒?dòng)，對(duì)治療腦震蕩和腦神經(jīng)損傷有一定療效。 從總體上說(shuō)，味精行業(yè)的發(fā)展前景是比較廣闊的，我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，而我國(guó)的味精出口不足年產(chǎn)量的 1%，絕大部分味精都在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上消化了，隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)味精的需求會(huì)越來(lái)越大，況且國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上對(duì)味精的消費(fèi)不僅僅限于調(diào)味，而是 廣泛的作為一種原材料或香料表面活性劑應(yīng)用于醫(yī)藥和化妝品生產(chǎn)行業(yè)。由此可見(jiàn)，味精的消費(fèi)市場(chǎng)開(kāi)拓是很有前景的。 本文對(duì)味精發(fā)酵生產(chǎn)工藝及主要設(shè)備作簡(jiǎn)要介紹，以期有助于了解通氣發(fā)酵工藝和主要設(shè)備的有關(guān)知識(shí)。 設(shè)計(jì)內(nèi)容為，了解味精生產(chǎn)中的原料預(yù)處理、發(fā)酵、提取部分的生產(chǎn)方法和生產(chǎn)流程，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇發(fā)酵工段合適的生產(chǎn)流程，并對(duì)流程中的原料進(jìn)行物料衡算、熱量衡算及設(shè)備的選擇。最后，畫(huà)出發(fā)酵工段的工藝流程圖和平面布置圖。 整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容大體分成三部分，第一部分主要是味精生產(chǎn)的工藝和設(shè)備選擇；第二部分包括發(fā)酵罐、種子罐 及空氣分過(guò)濾器的設(shè)計(jì)與選型；第三部分是工藝流程和平面布置圖。 在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，自始至終得到 王能強(qiáng) 老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)的熱心幫助，在此表示衷心感謝！ 雖然作者在編寫(xiě)和修改過(guò)程中已做了很大努力，但由于水平有限以及經(jīng)驗(yàn)不 2 足，其中還是有許多錯(cuò)誤和不當(dāng)之處，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指點(diǎn)，以利于作者認(rèn)識(shí)自己的不足，不斷修改和完善。 設(shè)計(jì) 人 ： XXX 2009 年 12 月 9 日 緒論 味精是人們熟悉的鮮味劑，又稱谷氨酸鈉，是 L 谷氨酸單納鹽（ Mono sodium glutamate）的一水化合物（ HOOC-CH2CH(NH2)-COONa H2O） ,或命名為u-氨基戊二酸單鈉一水化合物。它含有一分子結(jié)晶水，其分子式為HOOC-CH2CH(NH2)-COONa H2O，分子量 187.13。具有旋光性，有 D-型和 L-型兩種光學(xué)異構(gòu)體。谷氨酸跟堿作用生成谷氨酸一鈉，如果堿過(guò)量，則生成不具有鮮味的谷氨酸二鈉。 味精為八面柱狀晶體，不溶于純酒精、乙醚及丙酮等有機(jī)溶劑，易溶于水，相對(duì)密度為 1.65，熔點(diǎn) 195 ，在 120 以上逐漸失去分子中的結(jié)晶水。 味精的比旋光度 =+25.16（ C=10， 2NHCl）。 0.2%味精溶液的 pH 為 0.7。 味精生產(chǎn)大致經(jīng)歷了三個(gè)大的階段： 第一階段 ： 最早的味精制造方法就是從天然的食物材料中抽取，例如：將海帶以熱水煮過(guò)，取其湯液濃縮后即可得到含有味精的濃縮液或調(diào)味粉。 第二階段 ： 最早商業(yè)化制造味精的原料是面筋。 面筋即是面粉中的蛋白質(zhì)，采用的方法是蛋白質(zhì)水解法，因?yàn)槊娼畹膩?lái)源豐富，且含有高達(dá) 23%的麩胺酸，最適合做為制造味精的原料。 第三階段 ： 1958 年利用微生物生產(chǎn)味精的發(fā)酵技術(shù)開(kāi)發(fā)成功，主要是利用葡萄糖、果糖或蔗糖為糖源，經(jīng)特別篩選的味精生產(chǎn)菌種吸收代謝后，合成大量的麩胺酸，是屬于生物合成的天然胺基酸。這些特別篩選的微生物會(huì)將糖蜜中的糖轉(zhuǎn)變成麩胺酸。每消耗一公斤的糖，約可產(chǎn)生 0.5 公斤的麩胺酸，生產(chǎn)效率非常高。 受經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響，全球經(jīng)濟(jì)大幅縮水，國(guó)外的餐飲業(yè)大幅受到影響，味精工業(yè)的發(fā)展自然受到?jīng)_擊，我國(guó)味精產(chǎn)業(yè)由于主要以內(nèi)銷為主，影響不大，又由于國(guó)家大幅擴(kuò)大內(nèi)需，是以發(fā)展前景樂(lè)觀。 3 目錄 前言 .1 緒論 .錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 一 .味精生產(chǎn)工藝 .4 1.1 味精生產(chǎn)工藝概述 .4 1.2 原料的預(yù)處理及淀粉水解制備 .5 1.2.1 原料的預(yù)處理 .5 1.2.2 淀粉水解制備 .5 1.3 種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵 .5 1.4 谷氨酸的提取 .5 1.5 谷氨酸制取味精及味精成品加工 .5 二 .發(fā)酵罐及種子罐的設(shè)計(jì)與選型 .6 2.1 味精工廠發(fā)酵車間的物料衡算 .6 2.1.1 工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù) .6 2.1.2 谷 氨酸發(fā)酵車間的物料衡算 .6 2.1.3 30000t/a 味精廠發(fā)酵車間的物料衡結(jié)果 .8 2.2 熱量衡算 .9 2.2.1 液化工序熱量衡算 .9 2.2.2 連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算 .9 2.2.3 谷氨酸鈉溶液濃縮結(jié)晶過(guò)程的熱量衡算 .10 2.2.4 干燥過(guò)程的熱量衡算 .11 2.2.5 生產(chǎn)過(guò)程耗用蒸汽衡算匯總衡算結(jié)果 .11 2.3 無(wú)菌空氣耗量計(jì)算 .12 2.4 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 .12 2.4.1 發(fā)酵罐 .12 2.4.2 種 子罐 .21 2.4.3 空氣分過(guò)濾器 .27 2.4.4 味精廠發(fā)酵車間設(shè)備一覽表 .28 致謝 .28 主要參考文獻(xiàn) .29 4 一 .味精生產(chǎn)工藝 1.1.味精生產(chǎn)工藝概述 味精生產(chǎn)全過(guò)程可劃分為四個(gè)工藝階段：（ 1）原料的預(yù)處理及淀粉水解糖的制備；（ 2）種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵；（ 3）谷氨酸的提?。唬?4）谷氨酸制取味精及味精成品加工。 與這四個(gè)工藝階段相對(duì)應(yīng) 味精生產(chǎn)廠家一般都設(shè)置了糖化車間、發(fā)酵車間、提取車間和精制車間作為主要生產(chǎn)車間。另外，為保障生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)蒸汽的需求，同時(shí)還設(shè)置了動(dòng)力車間，利用鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽，并通過(guò)供氣管路輸送到各個(gè)生產(chǎn)需求部位。為保障全廠生產(chǎn)用水，還要設(shè)置供水站。所供的水經(jīng)消毒、過(guò)濾系統(tǒng)處理，通過(guò)供水管路輸送到各個(gè)生產(chǎn)需求部位。 味精發(fā)酵法生產(chǎn)的總工藝流程見(jiàn)圖 1。 菌種 斜面培養(yǎng) 搖瓶擴(kuò)大培養(yǎng) 種子罐擴(kuò)大培養(yǎng) 原料 預(yù)處理 水解 過(guò)濾 淀粉水解糖 配料 發(fā)酵 空氣 空氣壓縮機(jī) 冷卻 氣液分離 過(guò)濾除菌 等電點(diǎn)調(diào)節(jié) 沉淀 離心 粗谷氨酸 溶解 中和制味精 母液 離子交換處理 粗谷氨酸溶液 粗谷氨酸 除 鐵 過(guò)濾 脫色 濃縮結(jié)晶 離心 小結(jié)晶 干燥 拌鹽粉碎 粉狀味精 大結(jié)晶 干燥 過(guò)濾 成品味精 5 1.2.原料的預(yù)處理及淀粉水解制備 1.2.1.原料的預(yù)處理 此工藝操作的目的在于初步破壞原料結(jié)構(gòu)，以便提高原料的利用率，同時(shí)去除固體雜質(zhì)，防止機(jī)器磨損。用于除雜的設(shè)備為篩選機(jī)，常用的是振動(dòng)篩和轉(zhuǎn)筒篩，其中振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，使用方便。 用于原料粉碎的設(shè)備除盤磨機(jī)外，還有錘式粉碎機(jī)和輥式粉碎機(jī)。盤磨機(jī)廣泛用于磨碎大米、玉米、豆類等物料，而錘式粉碎機(jī)應(yīng)用于薯干等脆性原料的中碎和細(xì)碎作用，輥式粉碎機(jī)主要用于粒狀物料的中碎和細(xì)碎 3 。 1.2.2.淀粉水解制備 在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解為葡萄糖的過(guò)程稱為淀粉的糖化，所制得的糖液稱為淀粉水解糖。由于谷氨酸生產(chǎn)菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必須將淀粉水解為葡萄糖，才能供發(fā)酵使用。目前國(guó)內(nèi)許多味精廠采用雙酶法制糖工藝。 1.3.種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵 種子擴(kuò)大培養(yǎng)為保證谷氨酸發(fā)酵過(guò)程所需的大量種子，發(fā)酵車間內(nèi)設(shè)置有種子站，完成生產(chǎn)菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)任務(wù)。從試管斜面出發(fā)，經(jīng)活化培養(yǎng)，搖瓶培養(yǎng)，擴(kuò)大至一級(jí)乃至二級(jí)種子罐培養(yǎng)，最終向發(fā)酵罐提供足夠數(shù)量的健壯的生產(chǎn)種子 。 谷氨酸發(fā)酵開(kāi)始前，首先必須配制發(fā)酵培養(yǎng)基，并對(duì)其作高溫短時(shí)滅菌處理 。用于滅菌的工藝除采用連消塔 維持罐一噴淋冷卻系統(tǒng)外，還可采用噴射加熱器 維持管 真空冷卻系統(tǒng)或薄板換熱器滅菌系統(tǒng)。但由于糖液粘度較大，流動(dòng)性差，容易將維持管堵塞，同時(shí)真空冷卻器及薄板加熱器的加工制造成本較高，因而應(yīng)用較少。 發(fā)酵設(shè)備，國(guó)內(nèi)味精廠大多采用機(jī)械攪拌通風(fēng)通用式發(fā)酵罐，罐體大小在50m3 到 200m3 之間。對(duì)于發(fā)酵過(guò)程采用人工控制，檢測(cè)儀表不能及時(shí)反映罐內(nèi)參數(shù)變化，因而發(fā)酵進(jìn)程表現(xiàn)出波動(dòng)性，產(chǎn)酸率不穩(wěn)定。 由于谷氨酸發(fā)酵為通風(fēng)發(fā)酵過(guò)程，需供給無(wú)菌空氣，所以發(fā)酵車間還有一套空氣過(guò)濾除菌及供給系統(tǒng)。首先 由高空采氣塔采集高空潔凈空氣，經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后導(dǎo)入冷凝器、油水分離器兩級(jí)處理，再送入貯氣罐，進(jìn)而經(jīng)焦炭、瓷環(huán)填充的主過(guò)濾器和纖維分過(guò)濾器除菌后，送至發(fā)酵罐使用。在北方地區(qū)由于空氣濕度小、溫度低，還可采用空氣壓縮、冷卻過(guò)濾流程，省去一級(jí)冷卻設(shè)備 4 。 1.4.谷氨酸的提取 谷氨酸的提取一般采用等電點(diǎn) 離子交換法，國(guó)內(nèi)有些味精廠還采用等電點(diǎn) 鋅鹽法、鹽酸水解 等電點(diǎn)法及離子交換膜電滲析法提取谷氨酸。但存在廢水污染大，生產(chǎn)成本高，技術(shù)難度大等問(wèn)題，應(yīng)用上受到限制 1 。 1.5.谷氨酸制取味精及味精成品加工 精制車間加工的谷氨酸產(chǎn)品為谷氨酸單鈉，即味精。粗品經(jīng)提純、加工、包裝，得到成品。 味精中和液的脫色過(guò)程，除使用碳柱外，還可使用離子交換柱，利用離子交換樹(shù)脂的吸附色素。味精的干燥過(guò)程，國(guó)內(nèi)許多廠家還采用箱式烘房干燥，設(shè)備簡(jiǎn)單，投資低，但操作條件差，生產(chǎn)效率低，不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的要求。也有的廠家使用氣流干燥技術(shù)，生產(chǎn)量大，干燥速度快，干燥時(shí)間短，但干燥過(guò)程對(duì)味精光澤和外形有影響，同時(shí)廠房建筑要求較高，這樣均不如振動(dòng)式干燥床應(yīng)用效 6 果好 4。 二發(fā)酵罐及種子罐的設(shè)計(jì)與選型 2.1.味精工廠發(fā)酵車間的物料 衡算 2.1.1 工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 生產(chǎn)規(guī)模： 6 萬(wàn)噸年 (或 12 萬(wàn)噸年 ) 生產(chǎn)規(guī)格： 純度為 99的味精 生產(chǎn)方法： 以工業(yè)淀粉為原料、雙酶法糖化、流加糖發(fā)酵，低溫濃縮、等電提取 生產(chǎn)天數(shù)： 300 天年 倒罐率： 0.5 發(fā)酵周期： 40-42 小時(shí) 生產(chǎn)周期： 48-50 小時(shí) 種子發(fā)酵周期： 8-10 小時(shí) 種子生產(chǎn)周期： 12-16 小時(shí) 發(fā)酵醪初糖濃度： 15 (W V) 流加糖濃度： 45 (W V) 發(fā)酵谷氨酸產(chǎn)率： 10 糖酸轉(zhuǎn)化率： 56 淀粉糖轉(zhuǎn)化率： 98 谷氨酸提取收率： 92 味精對(duì)谷氨酸的精制收率： 112 原料淀粉含量： 86 發(fā)酵罐接種量： 10 發(fā)酵罐填充系數(shù)： 75 發(fā)酵培養(yǎng)基 (W/V)： 水解糖 15，糖蜜 0.3，玉米漿 0.2%， MgSO4 0.04，KCl 0.12， Na2HPO4 0.16%，尿素 4，消泡劑 0.04 種子培養(yǎng)基 (W/V)： 水解糖 2.5，糖蜜 2，玉米漿 l %， MgSO4 0.04，K2HPO4 0.1，尿素 0.35，消泡劑 0.03 2.1.2 谷氨酸發(fā)酵車間的物料衡算 首先計(jì)算生產(chǎn) 1000kg 純度為 100%的味精需耗用的原輔材料及其他物料量。 （ 1）發(fā)酵液量 V1 3122.8%110%7.99%90%562201000mV 式中 220 發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度（ kg/m3） 56% 糖酸轉(zhuǎn)化率 90% 谷氨酸提取率 97% 除去倒灌率 0.3%后的發(fā)酵成功率 110% 味精對(duì)谷氨酸的精制產(chǎn)率 （ 2）發(fā)酵液配制需水解糖量 G1 7 以純糖算， )(1 8 0 92 2 011 kgVG （ 3）二級(jí)種液量 V2 312 8 2 2.0%10 mVV （ 4）二級(jí)種子培養(yǎng)液所需水解糖量 G2 322 55.2025 mVG 式中 25 二級(jí)種液含糖量（ kg/m3） （ 5）生產(chǎn) 1000kg 味精需水解糖總量 G 為： kgGGG 55.1 8 2 921 （ 6）耗用淀粉原料量 理論上， 100kg 淀粉轉(zhuǎn)化生成葡萄糖量為 111kg，故理論上耗用的淀粉量 G淀粉 為： kg7.1978%111%89%5855.1829淀粉G 式中 85% 淀粉原料含純淀粉量 98% 淀粉糖轉(zhuǎn)化率 （ 7）尿素耗用量 二級(jí)種液耗尿素量為 V3 kgVV 20885.3 23 發(fā)酵培養(yǎng)基耗尿素為 V4 kgVV 8.32840 14 故共耗尿素量為 331.68kg （ 8）甘蔗糖蜜耗用量 二級(jí)種液耗用糖蜜量 V5 kgVV 44.1620 25 發(fā)酵培養(yǎng)基耗糖蜜 量 V6 kgVV 66.243 16 合計(jì)耗糖蜜 41.1kg （ 9）氯化鉀耗量 GKCl kgVG KCl 8 6 4.92.1 1 （ 10）磷酸氫二鉀（ K2HPO4）耗量 G3 kgVG 822.01 13 （ 11）硫酸鎂（ MgSO4 7H2O）用量 G4 8 kgVVG 62.34.0 214 （ 12）消泡劑（泡敵）耗用量 G5 kgVVG 54.33.04.0 215 （ 13）磷酸氫二鈉耗用量 G6 kgVG 15.136.1 16 （ 14）谷氨酸（麩酸）量 發(fā)酵液谷氨酸含量為： kgG 1010%3.01%561 實(shí)際生產(chǎn)的谷氨酸（提取率 90%）為： kg909%901010 （ 15）玉米漿用量 66.24102 217 VVG 2.1.3 30000t/a 味精廠發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果 年產(chǎn) 30000 噸味精物料橫算表 物料名稱 生產(chǎn) 1t 味精（ 100%）的物料量 15000t/a 味精生產(chǎn)的物料量 每日物料量 發(fā)酵液（ m3） 8.22 246.6 310 822 二級(jí)種液（ m3） 0.822 31066.24 82.2 發(fā)酵水解用糖（ kg） 1809 61027.54 3109.180 二級(jí)種培養(yǎng)用糖（ kg） 20.55 3105.616 2055 水解糖總量（ kg） 1829.55 61089.54 3100.183 淀粉 (kg) 1978.7 61036.59 3109.197 尿素（或液氨） 331.68 61095.9 3102.33 糖蜜（ kg） 41.1 3101233 31011.4 氯化鉀（ kg） 9.87 3101.296 987 磷酸氫二鉀（ kg） 0.822 31066.24 82.2 9 2.2 熱量衡算 熱量 衡算是根據(jù)能量守恒定律建立起來(lái)的，熱平衡方程表示如下： Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 2.2.1.液化工序熱量衡算 （ 1）液化加熱蒸汽量 加熱蒸汽消耗量（ D），可按下式計(jì)算： D= )()12( IttCG 式中 G-淀粉漿量（ kg/h） C-淀粉漿比熱容（ kJ/（ kgK） t1-漿料初溫（ 20+273=293K） t2-液化溫度（ 90+273=363K） I-加熱蒸汽焓， 2738kJ/kg（ 0.3Mpa，表壓） -加熱蒸汽凝結(jié)水的焓，在 363K 時(shí)為 377kJ/kg 淀粉漿量 G：根據(jù)物料衡算，日投工業(yè)淀粉 197.9t；連續(xù)液化， 197.9/24=68.2（ t/h）。加水為 1： 2.5，粉漿量為： 68203.5=13870（ t/h）。 粉漿比熱 C 可按下式計(jì)算： C=C0 +C 水 式中 C0-淀粉質(zhì)比熱容，取 1.55kJ/（ kgK） X-粉漿干物質(zhì)含量， 24.6% C 水 -水的比熱容， 4.18kJ/（ kgK） C=1.55 +4.18 =3.53（ kJ/（ kgK） 蒸汽用量 D= =963（ kg/h） （ 2）滅酶用蒸汽量 滅酶時(shí)將液化液由 90 加熱至 100 ，在 100 時(shí)的 為 419kJ/kg。 D 滅 = =140（ kg/h） 要求在 20min 內(nèi)使液化液由 90 升至 100 ，則蒸汽高峰量為： 140 =420（ kg/h） 以上兩項(xiàng)合計(jì)，平均量 963+140=1103（ kg/h）；每日用量 1.124=26.4（ t/d）。 高峰量： 963+420=1383（ kg/h） 2.2.2.連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算 硫酸鎂（ kg） 3.62 3106.108 362 泡敵（ kg） 3.54 3102.106 354 磷酸氫二鈉（ kg） 13.15 3105.394 1315 玉米漿（ kg） 24.66 3108.739 2466 谷氨酸（ kg） 9.9 61027.27 3109.90 10 （ 1） 培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量 發(fā)酵罐 200m3 裝料系數(shù) 0.75，每罐產(chǎn) 100%MSG 量： 2000.753%85%97%1.272=11.27（ t） 發(fā)酵操作時(shí)間 48h（其中發(fā)酵時(shí)間 38h），需發(fā)酵罐臺(tái)數(shù) 6 臺(tái)。 滅菌加熱過(guò)程中用 0.4Mpa 蒸汽（表壓） I=2743kJ/kg，使用板式換熱器將物料由20 預(yù)熱至 75 ，再加熱至 120 。冷卻水由 20 升至 45 。每罐滅菌時(shí)間 3h，輸料流量 0.3（ t/h） 消毒滅菌用蒸汽量（ D）： D =3212（ kg/h） =3.2（ t/h） 式中 3.97 為糖液的比熱容（ kJ/（ kgoK） 每日用蒸汽量： 3.233=28.8（ t/d） 高峰量： 3.2t/h 平均量： 28.824=1.2（ t/h） （ 2）發(fā)酵罐空罐滅菌蒸汽用量 發(fā)酵罐體加熱： 200m3， 1Cr18Ni9 的發(fā)酵罐體重 34.3t，冷卻排管重 6t， 1Cr18Ni9的比熱容 0.5kJ/（ kgK），用 0.2Mpa（表壓）蒸汽滅菌，使發(fā)酵罐在 0.15 Mpa（表壓 ）下，由 20 升至 127 。其蒸汽量為 986（ kg） 填充發(fā)酵罐空間所需的蒸汽量：因 200m3 發(fā)酵罐的全容積大于 200m3，考慮到罐內(nèi)之排管、攪拌器等所占之空間，罐之自由空間仍按 200m3 計(jì)算。填充空間需蒸汽量： D 空 =V=2001.622=324.4（ kg） 式中 V-發(fā)酵罐自由空間即全容積（ m3） -加熱蒸汽的密度（ kg/m3）， 0.2Mpa 表壓時(shí)為 1.622 滅菌過(guò)程的熱損失：輻射與對(duì)流聯(lián)合給熱系數(shù) ，罐外壁溫度 70 。 =33.9+0.19(70-20)=43.4(kJ/(m2hK) 200m3 發(fā)酵罐的表面積為 201 m2，耗用蒸汽量： D 損 = =199（ kg） 罐壁附著洗滌水升溫的蒸汽消耗 41（ kg） 滅菌過(guò)程蒸汽滲漏，取總汽消耗量的 5%，空罐滅菌蒸汽消耗量為： 1632（ kg/h） 每空罐滅菌 1.5h，用蒸汽量： 16321.5=2448（ kg/罐） 每日用蒸汽量： 24483=7344（ kg/d），平均量 7344/24=306（ kg/h） 2.2.3.谷氨酸鈉溶液濃縮結(jié)晶過(guò)程的熱量衡算 年產(chǎn)萬(wàn)噸商品味精，日產(chǎn) 100%MSG 29.75t，選用 25m3 強(qiáng)制內(nèi)循環(huán)結(jié)晶罐，濃縮結(jié)晶操作周期 24h，其中輔助時(shí)間 4h。每罐產(chǎn) 100%MSG 10t，需結(jié)晶罐臺(tái) 4臺(tái) 。 每罐投入 40g/dl 的中和脫色液（俗稱原液） 23m3，流加 30g/dl 母液 32m3，過(guò)程中加水 6m3，在 70 下真空蒸發(fā)結(jié)晶，濃縮 3h，育晶 17h。放料數(shù)量 20m3 （ 1）熱量衡算 來(lái)料帶入熱量：進(jìn)料溫度 35 ，比熱為 3.5kJ/（ kgoK） Q 來(lái)料 =（ 231.16+321.13） 3.535103=7.7106（ kJ） 加水帶入熱量： 11 Q 來(lái)水 =64.1835103=8.8105（ kJ） 晶種帶入熱量： MSG 比熱容 1.67（ kJ/（ kgoK） Q 來(lái)晶 =16001.6720=5.3104（ kJ） 結(jié)晶放熱： MSG 結(jié)晶熱為 12.7kJ/mol Q 晶熱 = =5.7105（ kJ） 母液帶走熱量：分離母液 12m3，折算為相對(duì)密度 1.26 時(shí) 15t，比熱容為 2.83（ kJ/（ kgoK） Q=151032.8370=3.0106（ KJ） 隨二次蒸汽帶走熱量： Q 二蒸 =（ 23+32+6-20） 2626106=1.077108（ kJ） 隨結(jié)晶 MSG 帶走熱量： Q 出晶 =101031.6770=1.17106（ kJ） 需外界供給熱量： Q=（ Q 母 +Q 二蒸 +Q 出晶） -（ Q 來(lái)料 +Q 來(lái)水 +Q 來(lái)晶 +Q 晶熱） =（ 3.0106+1.077108+1.17106） -（ 7.7106+8.8105+5.3104+5.7105） =9.5107（ kJ） （ 2）計(jì)算蒸汽用量 每罐次用汽量：熱損按 5%折算。 D= =45830（ kg/罐） 每罐濃縮結(jié)晶時(shí)間 20h，每小時(shí)耗蒸汽高峰量： 45830/20=2292（ kg/h） 4 臺(tái)罐（實(shí)際是 3.5 臺(tái)）同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，高峰用蒸汽量： 3.52292=8022（ kg/h） 每日用蒸汽量： 3.545830=160405（ kg/d） =160（ t/d） 每小時(shí)平均用蒸汽量： 160/24=6.7（ t/h） 2.2.4 干燥過(guò)程的熱量衡算 分離后之濕 MSG 含水 2%，干燥后達(dá)到 0.2%，進(jìn)加熱之空氣為 18 ，相對(duì)濕度=70%，通過(guò)加熱器使空氣升至 80 ，從干燥器出來(lái)的空氣為 60 。 年產(chǎn)萬(wàn)噸商品味精，日 產(chǎn)濕味精 30.4t，二班生產(chǎn)，即 30.4/16=1.9（ t/h）。干燥水分量 34（ kg/h） 18 空氣濕含量 =70%， X0=0.009（ kg/kg 干空氣）， I0=41.8kJ/kg 干空氣；加熱80 ， I1=104.5kJ/kg 干空氣 用公式 ： =（ I2-I1） /（ X2-X1） =Q 物料 +Q 損失 -Q 初溫 式中 -空氣經(jīng)過(guò)干燥后的熱量變化（ kJ/kg） Q 損失 -損失熱量，通常為有效熱量的 10% Q 物料 =1.9103（ 60-18） 0.44.18/34=3924（ kJ/kg 水） Q 損失 =0.1（ 5954.18+0.47604.18+3924-184.18） =645（ kJ/kg 水） =184.18-3924-645= -4494（ kJ/kg 水） 設(shè) X2=0.0108 I2=I1+（ X2-X1） =104.5+（ -4494）（ 0.0108-0.009） =96.4（ kJ/kg 空氣） 空氣耗量為： 34/0.0108-0.009=18888（ kg/h） 12 80 時(shí)空氣的比容 0.83m3/kg 實(shí)際消耗空氣量為： 188880.83=15677（ m3/h） 耗用 蒸汽量（ D）：使用 0.1Mpa（表壓）蒸汽加熱，熱損失按 15%計(jì)： D= =618（ kg/h） 每日用蒸汽量： 61816=9888（ kg/d） 平均每小時(shí)用蒸汽量： 9888/24=412（ kg/h） 2.2.5.生產(chǎn)過(guò)程耗用蒸汽衡算匯總衡算結(jié)果 ： 每日用蒸汽量為 338t/d，每小時(shí)平均量為 14.1t/h，高峰量為 19.2t/h。 100%MSG單耗蒸汽量： 338/29.75=11.4（ t/t）。 年產(chǎn) 30000 噸味精熱量衡算表 名稱 每日用量（ t） 每小時(shí)均量（ t） 高峰量（ t） 單耗（ t） 蒸汽 338 14.1 19.2 11.4 2.3 無(wú)菌空氣耗量計(jì)算 （ 1）單罐無(wú)菌空氣耗用量 230m3 規(guī)模的通氣攪拌發(fā)酵罐的通氣速率為 0.20-0.45vvn，取 0.45 計(jì)算 單罐發(fā)酵過(guò)程用氣量： 46586045.075.0230 V （ m3/h） 單罐年用氣量： 26827200180321 VV （ m3/a） （ 2）種子培養(yǎng)等其他無(wú)菌空氣耗量 有經(jīng)驗(yàn)去耗氣量為發(fā)酵過(guò)程的 20% 故： 5.9 31%20 VV （ m3/h） 單罐年用氣量： 1 3 4 1 3 6 01 8 081 VV（ m3/a） （ 3）高峰無(wú)菌空氣耗量： 52164610 VVV m an （ m3/h） （ 4）車間無(wú)菌空氣年耗量： 5 2 1 6 4610 11 VVV t（ m3/a） （ 5）單耗： 92110 GVV t（ m3/h） 年產(chǎn) 30000 噸味精無(wú)菌空氣衡算表： 發(fā)酵罐公稱容積（ m3） 單罐通氣量（ m3/h） 種子罐耗氣量（ m3/h） 高峰空氣耗量（ m3/h） 年空氣耗量（ m3/h） 空氣單耗（ m3/h） 13 200 4658 931.5 52164 81076.2 9211 2.4 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 2.4.1 發(fā)酵罐 （ 1）發(fā)酵罐的選型 選用機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 （ 2）生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定 發(fā)酵罐容積的確定：選用 200m3 罐 生產(chǎn)能力的計(jì)算：現(xiàn)每天生產(chǎn) 97%純度的味精 100t，谷氨酸的發(fā)酵周期為48h(包括發(fā)酵罐清洗、滅菌、進(jìn)出物料 等輔助操作時(shí)間 )。 每天產(chǎn)純度為 97%的味精 100t，每噸 100%的味精需糖液 8.22m3 則每天需糖液體積為 V： 3m7 9 7 . 3 4%9700122.8 糖V 設(shè)發(fā)酵罐的填充系數(shù) =75%；則每天需要發(fā)酵需要發(fā)酵罐的總體積為 V0（發(fā)酵周期為 48h）。 30 m106375.0 7 . 3 497/ 糖VV 發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定：公稱體積為 200m3 的發(fā)酵罐，總體積為 230 m3 個(gè)總52.92475.0230 34.79724V 01 VN 取公稱體積 200 m3 發(fā)酵罐 11 個(gè)，其中一個(gè)留作備用。 實(shí)際產(chǎn)量驗(yàn)算： at /7.3 2 45 1300%9722.8 575.0230 富裕量 %2.830000 300007.32451 能滿足產(chǎn)量要求 （ 3）主要尺寸的計(jì)算：取高徑比 H： D=2： 1 ；封筒全 32 3 0 m2 VVV 則有： 2302242785.0 32 DDDV 全 H=2D； 解方程得： 23026.057.1 33 DD mD 0 04.583.12 303 14 取 D=5m H=2D=10m； 封頭高： mmhhH ba 1 3 0 0封 封頭容積 ： V 封 =16.4（ m3） 圓柱部分容積： V 筒 =197m3 驗(yàn)算全容積 V 全 ： 3m8.2294.1621972 封筒 全 VVV V 全 =V全 符合設(shè)計(jì)要求，可行。 （ 4）冷卻面積的計(jì)算 對(duì)谷氨酸發(fā)酵，每 1m3 發(fā)酵液、每 1h 傳給冷卻器的最大熱量約為 4.186000kJ/(m3 h)。 采用豎式蛇管換熱器，取經(jīng)驗(yàn)值 K=4.18 500 kJ/(m3 h )。 平均溫差 tm： 2121mttlnttt 32 32 20 27 12 5 代入 8512ln512tm 對(duì)公稱容量 200 m3 的發(fā)酵罐，每天裝 5 罐，每罐實(shí)際裝液量為 31555 17.775 m 換熱面積 35.232850018.4 1556 0 0 018.4 mtK QFm （ 5）攪拌器計(jì)算 選用六彎葉渦輪攪拌器。 該攪拌器的各部分尺寸與罐徑 D 有一定比例關(guān)系 攪拌器葉徑 mDD i 67.1353 15 取 d=1.7（ m） 葉寬 ： mdB 34.07.12.02.0 弧長(zhǎng)： mdl 64.07.13 7 5.03 7 5.0 底距： mDC 7.1353 盤踞 ： mDd ii 28.17.175.075.0 葉弦長(zhǎng)： mDL i 43.07.125.025.0 葉距 ： mDY 5 彎葉板厚： =12（ mm） 取兩擋攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速 N2 可根據(jù) 50m3 罐，攪拌直徑 1.05m，轉(zhuǎn)速N1=110r/min。以等 P0/V 為基準(zhǔn) 6放大求得： m in/807.105.11 1 03/23/22112rDDNN（ 6）攪拌軸功率的計(jì)算 淀粉水解糖液低濃度細(xì)菌醪，可視為牛頓流體。 計(jì)算 Rem8 NDm2Re 式中 D 攪拌器直徑， D=1.7m N 攪拌器轉(zhuǎn)速， srN /33.16080 醪液密度， =1050 kg/m3 醪液粘度， =1.3 10-3N s/m2 將數(shù)代入上式： 4632 10101.3103.1 1 0 5 033.17.1Re m 16 視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù) Np=4.7 計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌軸功率 P0： 530 DNNP P 式中 Np 在湍流攪拌狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù) 4.7 N 攪拌轉(zhuǎn)速， N=80r/min=1.33r/s D 攪拌器直徑， D=1.7m 醪液密度， =1050kg/m3 代入上式： kWWP2.88102.8810507.133.17.43530 兩擋攪拌： kWPP 4.1762 00 計(jì)算通風(fēng)時(shí)的 軸功率 Pg kWQ NDPP g 39.008.0 32031025.2 式中 P0 不通風(fēng)時(shí)攪拌軸功率（ kW）， 4220 101.34.1 7 6 P N 軸轉(zhuǎn)速， N=80r/min D 攪拌器直徑（ cm）， D3=1.73 106=4.9 106 Q 通風(fēng)量（ ml/min），設(shè)通風(fēng)比 VVm=0.110.18，取低限，如通風(fēng)量變大， Pg 會(huì)小，為安全?，F(xiàn)取 0.11； 則 Q=155 0.11 106=1.7 107（ ml/min） 79.3107.1 08.0708.0 Q 代入上式： kWP g1.6979.3109.480101.31025.2 39.0643 求電機(jī)功率 P 電： 01.1P321g 電P 采用三角帶傳動(dòng) 1=0.92；滾動(dòng)軸承 2=0.99，滑動(dòng)軸承 3=0.98；端面密封增加功率為 1%；代入公式數(shù)值得： kWP 7 8 . 201.198.099.092.0 6 9 . 1 電 （ 7）設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝計(jì)算 空氣分布器：本罐采用單管進(jìn)風(fēng)，風(fēng)管直徑 133 4mm。 擋板：本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設(shè)擋板 密封方式：本罐采用雙面機(jī)械密封方式，處 理軸與罐的動(dòng)靜問(wèn)題。 17 冷卻管布置：采用豎式蛇管 最高負(fù)荷下的耗水量 W 12 ttc QW P 總 式中 Q 總 每 1m3 醪液在發(fā)酵最旺盛時(shí)， 1h 的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積 hkJQ /1089.31556 0 0 018.4 6總 cp 冷卻水的比熱容， 4.18kJ/（ kg K） t2 冷卻水終溫， t2=27 t1 冷卻水初溫， t1=20 將各值代入上式 skghkgW/9.36/1033.1202718.41089.356 冷 卻水體積流量為 3.69 10-2m3/s，取冷卻水在豎直蛇管中的流速為 1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積 S 總 為： vWS 總 式中 W 冷卻水體積流量， W=3.69 10-2m3/s V 冷卻水流速， v=1m/s 代入上式： 222 m1069.31 1069.3 總S 進(jìn)水總管直徑 ： m217.0785.0 1069.3785.0 2 總總 Sd 冷卻管組數(shù)和管徑：設(shè)冷卻管總表面積為 S 總 ，管徑 d0，組數(shù)為 n，則： 取 n=8，求管徑。由上式得： mnSd0 7 7.07 8 5.081069.37 8 5.020總查金屬材料表選取 89 4mm 無(wú)縫管 9， mmd 81內(nèi) mkgg /12.5 ，0dd 內(nèi) ，認(rèn)為可滿足要求， 80mm平均d 。 現(xiàn)取豎蛇管圈端部 U 型彎管曲徑為 300mm，則兩直管距離為 600mm，兩端彎管總長(zhǎng)度為 0l ： 18 mmDl 1 8 8 46 0 014.30 冷卻管總長(zhǎng)度 L 計(jì)算： 由前知冷卻管總面積 25.232 mF 現(xiàn)取無(wú)縫鋼管 89 4mm，每米長(zhǎng)冷卻面積為 20 25.0108.014.3 mF 則 : mFFL 93025.0 5.2320 冷卻管占有體積： 32 8.59 3 00 8 9.07 8 5.0 mV 每組管長(zhǎng) L0 和管組高度： mnLL 5.771293 00 另需連接管 8m： mLL 9 3 889 3 08 實(shí) 可排豎式直蛇管的高度，設(shè)為靜液面高度，下部可伸入封頭 250mm。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積 為 0.5m3，則：總占有體積為 3m1 6 1 . 35.08.5155 附件管液總 VVVV 則筒體部分液深為： mS VV 4.757 8 5.0 4.163.1 6 1 2 封總 豎式蛇管總高 m7.725.04.7 管H 又兩端彎管總長(zhǎng) mml 18840 ，兩端彎管總高為 600mm， 則直管部分高度： mmHh 7 1 0 06007 7 0 0600 管 則一圈管長(zhǎng)： mmlh