年产三万吨谷氨酸的发酵罐设计与选型

年产3万吨谷氨酸发酵罐设计目录第一章 前言第二章 谷氨酸发酵罐的主要技术指标第三章谷氨酸生产工艺流程及计算3.1谷氨酸生产原料及处理3.2谷氨酸生产工艺流程图第四章谷氨酸发酵罐的总物料衡算4.1谷氨酸生产的工艺技术指标4.2谷氨酸发酵车间的物料衡算4.3三万吨谷氨酸发酵车间的物料衡算结果表第五章谷氨酸发酵罐的设计与选型5.1谷氨酸发酵罐空管灭菌蒸汽用量 5.2发酵罐的选型 5.3生产能力、数量和容积的确定 5.4主要尺寸的计算 5.5冷却面积的计算 5.6搅拌器计算 5.7搅拌轴功率的计算 5.8设备结构的工艺计算 5.9设备材料的选择 5.10发酵罐壁厚的计算5.11接管设计5.12支座选择选用裙式支座第六章发酵罐的设计图H_c 、 一第一章前言谷氨酸是一种氨基酸, 其用途非常广泛,可用于食品、医学、化妆品等，它是非人体所必 需氨基酸，但它参与许多代谢过程，因而具有较高的营养价值，在人体内，谷氨酸能与血氨 结合生成谷氨酰胺，解除组织代谢过程中所产生的氨毒害作用，可作为治疗肝病的辅助药物， 谷氨酸还参与脑蛋白代谢和糖代谢，对改进和维持脑功能有益。另外，众所周知的谷氨酸钠 盐即味精有很强烈的鲜味，是重要的调味品。第二章谷氨酸发酵罐的主要技术指标根据常识，一个良好的发酵罐应满足下列要求：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；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；在保持生物反应要求的前 提下，降低能耗；有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度；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。本论文设计原理是基于强化传质、传热等操作，将生物体活性控制在最佳状态，降低总 的操作费用。另外，发酵罐内部状态也是不可忽视的影响因素。初步确定主要技术指标如表1所示。表1主要技术指标指标名称单位指标数生产规模t/a30000（谷氨酸）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/a300产品日产量t/d100产品质量纯度99%第三章谷氨酸的生产工艺流程 3.1谷氨酸原料的处理 3.1.1谷氨酸生产糖蜜预处理的目的是为了降低生物素的含量。因为糖蜜中特别是甘蔗糖蜜 中含有过量的生物素，会影响谷氨酸积累。故在以糖蜜为原料进行谷氨酸发酵时，常常采用 一定的措施来降低生物素的含量，常用的方法有以下几种。(1) 活性炭处理法 用活性炭可以吸附掉生物素。但此法活性炭用量大，多达糖蜜的30%40%,成本高。在活性炭吸附前先加次氯酸钠或通氯气处理糖蜜，可减少活性炭的用量。(2) 水解活性炭处理法国内曾有人进行过用盐酸水解甘蔗糖蜜，再用活性炭处理的方法 去除生物素的实验,并应用于生产。(3) 树脂处理法甜菜糖蜜可用非离子化脱色树脂除去生物素,这样可以大大提高谷氨酸 对糖的转化率。处理时先用水和盐酸稀释糖蜜，使其浓度达到10%, pH达2.5,然后在120C 下加压灭菌20min，再用氢氧化钠调pH至4.0,通过脱色树脂交换柱后，将所得溶液调pH 至7.0,用以配制培养基。3.1.2淀粉的糖化淀粉水解的方法有三种：酸解法；酶解法；酸酶(或酶酸)结合法。 淀粉的酸水解工艺1、调浆：干淀粉用水调成10T1Bx的淀粉乳，加盐酸0.5-0.8%至pH1.5。2、糖化：蒸汽加热、加压糖化25min。3、中和：冷却至80C，烧碱中和至pH4.0-5.0 (避免产生焦糖又保证过滤，中和为沉淀胶 体)。4、脱色：活性炭脱色和脱色树脂。活性炭用量为0.6-0.8%，在70C及酸性条件下搅拌后 过滤。淀粉的酶法糖化工艺以大米或碎米为原料时采用大米浸泡磨浆，再调成15Bx, pH6.0,加细菌a-淀粉酶 在85 C下液化30min,加糖化酶60 C糖化24h,过滤后可供配制培养基。糖蜜原料不宜直接用来作为谷氨酸发酵的碳源，因含丰富的生物素。预处理方法：活性炭或树脂吸附和亚硝酸法破坏以减少糖蜜中的生物素。也可以在发酵液中加入表面活性剂吐温60 或添加青霉素。3.2 谷氨酸的生产工艺流程图淀粉消泡剂水无机盐糖蜜玉米浆二级种子罐葡萄糖定容罐一配料罐连消器消泡剂水无机盐糖蜜玉米浆纯生物素纯生物素斜面实消维持罐级种子降温液氮 f 二级种培养换热器;消泡剂4发酵罐高浓度糖液液氨第四章年产 3万吨谷氨酸的总物料衡算4.14.1.1 谷氨酸生产的工艺技术指标表 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/a30000（味精）生产方法中糖发酵,一次等电点提取年生产天数d/a300产品日产量t/a100产品质量纯度%99倒灌率%1.0发酵周期h48发酵初糖Kg/m3150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%1124.1.2主要原材料质量指标 淀粉原料的淀粉含量为80%，含水14%。4.1.3二级种子培养基（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510，泡敌0.6，硫酸镁0.002，硫酸亚铁0.002。4.1.4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。4.1.5接种量为2%4.2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。 4.2.1发酵液量VV 二 1000 十（220 X 56% X 90% x 99.7% x 110%）厂 8.22C）式中220发酵培养基初糖浓度（kg/m3）56%糖酸转化率90%谷氨酸提取率97%除去倒灌率0.3%后的发酵成功率110%味精对谷氨酸的精制产率4.2.2发酵液配制需水解糖量q以纯糖算，G 二 V x 220 二 1809（kg）114. 2. 3二级种液量 V2V 二 10%V 二 0.822（m3）214.2.4二级种子培养液所需水解糖量 G2G 二 25V22二 20.55（m3）式中25二级种液含糖量（kg/m3）4.2.5生产1000kg味精需水解糖总量G为:G 二 G + G12二 1829.55（kg）4. 2. 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:淀粉G、= 1829.55 十（85% x 98% x 111%） 淀粉二 1978.7（kg 丿式中 85%淀粉原料含纯淀粉量98%淀粉糖转化率4.2.7尿素耗用量二级种液耗尿素量为V3V 二 3.5V 二 2088（kg）32发酵培养基耗尿素为V4V 二 40V 二 328.8（kg）41故共耗尿素量为331.68kg4.2.8甘蔗糖蜜耗用量二级种液耗用糖蜜量V5V 二 20V 二 16.44（kg）52发酵培养基耗糖蜜量V6V 二 3V 二 24.66（kg）61合计耗糖蜜41.1kg4.2.9氯化钾耗量GKClG二 1.2V 二 9.864（kg）KCl 14.2.10磷酸氢二钾（K HP0 ）耗量G243G 二 1V 二 0.822（kg）314.2.11硫酸镁（MgSO7H0）用量G424G 二 0.4（V + V ）= 3.62（kg）4 124.2.12消泡剂（泡敌）耗用量G5G 二 0.4V + 0.3V 二 3.54（kg）5124.2.13磷酸氢二钠耗用量G6G 二 1.6V 二 13.15（kg）614.1.14谷氨酸（麸酸）量发酵液谷氨酸含量为：G x 56%（1 - 0.3%）= 1010（kg）1实际生产的谷氨酸（提取率90%）为：1010x 90% 二 909（kg）4.2.15玉米浆用量G 二 2V + 10V 二 24.667 1 24.3 30000t/a味精厂发酵车间的物料衡算结果年产30000吨味精物料横算表物料名称生产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）8.22246.6x103822二级种液（m3）0.82224.66x10382.2发酵水解用糖（kg）180954.27x106180.9x103二级种培养用糖（kg）20.55616.5x1032055水解糖总量（kg）1829.5554.89 x106183.0x103淀粉（kg）1978.759.36 x106197.9x103尿素（或液氨）331.689.95x10633.2x103糖蜜（kg）41.11233x1034.11x103氯化钾（kg）9.87296.1x103987磷酸氢二钾（kg）0.82224.66x10382.2硫酸镁（kg）3.62108.6x 103362泡敌（kg）3.54106.2x 103354第五章谷氨酸发酵罐的设计与选型5.1谷氨酸发酵罐空管灭菌蒸汽用量5.1.1发酵罐体加热：200m3,lCrl8Ni9的发酵罐体重34.31,冷却排管重6t,lCrl8Ni9的 比热容0.5J/ (kg K),用0.2Mpa (表压)蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15 Mpa (表压)下， 由20C升至127C。其蒸汽量为986 (kg)5.1.2填充发酵罐空间所需的蒸汽量：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=Vp=200X1.622=324.4 (kg)式中V发酵罐自由空间即全容积(m3)P 加热蒸汽的密度(kg/m3)，0.2Mpa表压时为1.6225.1.3灭菌过程的热损失：辐射与对流联合给热系数a,罐外壁温度70C。 a=33.9+0.19(7020)=43.4(kJ/(m2 h K)200m3发酵罐的表面积为201 m2，耗用蒸汽量：D 损二=199 (kg)5.1.4罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗41 (kg)5.1.5灭菌过程蒸汽渗漏，取总汽消耗量的5%，空罐灭菌蒸汽消耗量为： 1632 (kg/h) 每空罐灭菌1.5h，用蒸汽量：1632X1.5=2448 (kg/罐)每日用蒸汽量：2448X3=7344 (kg/d),平均量 7344/24=306 (kg/h)5.2发酵罐的选型选用机械涡轮搅拌通风发酵罐5.3生产能力、数量和容积的确定5.3.1发酵罐容积的确定：选用200m3罐5.3.2生产能力的计算：现每天生产97%纯度的谷氨酸1001,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）。每天产纯度为97%的味精1001,每吨100%的谷氨酸需糖液& 22m3 则每天需糖液体积为V：V = 8.22 x 100 x 97% = 797.34（m3）糖发酵周期为设发酵罐的填充系数 =75% ；则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为 48h）。总体积为230 m35.3.3发酵罐个数的确定：797.34V = V / = 10 糖 0.75公称体积为200m3的发酵罐,二 9.25（个）V t797.340二一V 24230 x 0.75 x 24总取公称体积200 m3 发酵罐11个,其中一个留作备用。实际产量验算：230 x O.75 x 5 x 300 = 32451.7(t / a) 8.22 x 97%富裕量32451.7 - 30000 =8.2% 30000能满足产量要求5.4主要尺寸的计算：取高径比 H：D=2：1V = V + 2V = 230m3；全 筒 封则有：nV = 0.785D2 x 2D +D3 x 2 = 230全24H=2D；解方程得：1.57 D 3 + 0.26 D 3 = 230,230=5.004(m )取 D=5mH=2D=10m；封头高：封头容积H = h + h = 1300(mm)封 a bV封=164(m3)圆柱部分容积：验算全容积V全:全V V + 2V 全J=197m3197 + 2 x 16.4 229.8。）封符合设计要求，可行。全=全5.5冷却面积的计算对谷氨酸发酵，每lm3发酵液、每lh传给冷却器的最大热量约为4.18X6000kJ/(m3h)。采用竖式蛇管换热器，取经验值K=4.18X500 kJ/(m3hC)。平均温差At :mAtmAt At1 2Atln 1At2代入32C20C12At m12 一 512 8CIn -5对公称容量200 m3的发酵罐,每天装5罐，每罐实际装液量为贬155(m 3)5换热面积F KAtm-48X 6000X155 - 232乙3）4.18 x 500 x 85.6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D 1.67（m）i 33取 d=1.7 （m）叶宽：B 0.2d = 0.2 x 1.7 = 0.34（m）弧长:l 二 0.375d 二 0.375 x 1.7 二 0.64（m）底距：C = = - = 1.7（m）33盘踞：d 二 0.75D = 0.75 x 1.7 二 1.28（m）ii叶弦长：L 二 0.25D 二 0.25 x 1.7 二 0.43（m）i叶距：Y 二 D 二 5（m）弯叶板厚：8=12 （mm）取两挡搅拌，搅拌转速可根据50m3罐，搅拌直径1.05m,转速NllOr/min。以等P/V为基准6放大求得：（D 2/3N - N 2 11 丿2-110 x 1.05- 80（r/min）11.7 丿5. 7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5.7.1 计算 Re 8mReD 2 Npm式中 D搅拌器直径，D=1.7mN = 80 = 1.33（r / s）N搅拌器转速，60P醪液密度，P=1050 kg/m3卩醪液粘度，u=1.3X10-3N s/m2 将数代入上式：Rem1.72 X 1.33 X10501.3 x 10-3=3.1 X 106 104视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.75.7.2计算不通气时的搅拌轴功率P0：P 二 N N3D5P0P式中N在湍流搅拌状态时其值为常数4.7pN搅拌转速，N=80r/min=1.33r/sD搅拌器直径，D=1.7mP醪液密度，P=1050kg/m3代入上式:P = 4.7 x 1.333 x 1.75 x 10500二 88.2 x 103 W 二 882kW两挡搅拌：P 二 2P = 176.4kW005.7.3计算通风时的轴功率Pg=2.25 x 10-3 x(P 2 ND 30I Q 0.08式中不通风时搅拌轴功率（kW）,P2 二 176.42 二 3.1 x 1040N轴转速，N=80r/minD搅拌器直径（cm），D3=1.73X 106=4.9X 106Q通风量（ml/min），设通风比VVm=0.110.18,取低限，如通风量变大,Pg会小，为安全。现取0.11;则 Q=155X0.11X 106=1.7X 107 (ml/min)Q0.08 =(.7 x 107 08 二 3.79代入上式：n “(3.1 x 104 x 80 x 4.9 x 106 )039P = 2.25 x 10-3 x gI3.79丿=69.1(kW )5.7.4求电机功率P电：PP =g x 1.01电 q q q123采用三角带传动no.92；滚动轴承n 2=0.99，滑动轴承n 3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：尸电0.92 x 0.99 x 0.98 *1.01 = 78.25.8设备结构的工艺计算5.8.1空气分布器：本罐采用单管进风，风管直径133X4mm。5.8.2挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板5.8.3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5.8.4冷却管布置：采用竖式蛇管I最高负荷下的耗水量WQW=rt总nP 2 1式中Q百每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积总Q 二 4.18 x 6000 x 155 二 3.89 x 106 (kJ / h)总c冷却水的比热容，4.18J/ (kgK)pt冷却水终温，t =27C22冷却水初温，t=20C将各值代入上式3.89x1064.18 x(27 - 20) =1.33 x 105 (kg / h)= 36.9 / s)冷却水体积流量为3.69X10-2m3/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：总WS =W总 v式中W冷却水体积流量，W=3.69X10-2m3/sV冷却水流速，v=1m/s代入上式：3.69 x 10 -21=3.69 x 10-2 (m2)进水总管直径：= 0.217(m)d =可=；3.69 x 10 -2总 0.7850.785II冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为S总，管径d,组数为n,则:总0取n=8，求管径。由上式得：弋 n 0.785g - 0航）查金属材料表选取89X4mm无缝管，内加g - 5.12kg /m，内,认为可满足要求，d平均Omm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l0l =兀D = 3.14 x 600 = 1884（mm）0III冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积F = 232.5m 2现取无缝钢管89X4mm，每米长冷却面积为F 3.14 x 0.08 x 1 0.25）0则:L 2325 930（m）F 0.25冷却管占有体积：0V 0.785 x 0.0892 x 930 5.8（m3）W每组管长L0和管组高度:L - n -岁-z）另需连接管 8m：L L + 8 = 930 + 8 = 938（m）实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,贝9：总占有体积为V V + V + V总 液 管 附件 （）155 + 5.8 + 0.5 161.3*3 丿则筒体部分液深为：封 叫一心7.4（m）S 0.785 x 52竖式蛇管总高H 二 7.4 + 0.25 二 7.7（m）管又两端弯管总长l二1884mm，两端弯管总高为600mm, 0则直管部分高度：h 二 H - 600 二 7700 - 600 二 7100（mm）管则一圈管长：l = 2h +1 = 2 x 7100 +1884 二 16084（mm）0V每组管子圈数气：L 77.50 =1 16.1现取管间距为2.5D二2.5 x 0.089二0.22（m），竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m,则外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：F = n d L实 平均 实 （ ）=3.14 x 0.08 x 938 = 235.6 2 丿F实 F，可满足要求。以降低设备费用。而刖有 F=232.5m2,5 . 9设备材料的选择10选用坷钢制作，5.10发酵罐壁厚的计算5.10.1计算法确定发酵罐的壁厚SPQS=韵hC（cm）式中P设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPaD发酵罐内经，D=500cm。A3钢的应用应力，。=127MPa焊接缝隙，=0.7C壁厚附加量（cm）C 二 C + C + C123式中C钢板负偏差，现取C=0.8mmC为腐蚀余量，现取C=2mm22C加工减薄量，现取C=033C = 0.8 + 2 + 0 = 2.8（mm ）= 0.28（cm）0.4 x 500S = 2 x 12；x 0.7】0.4 + 0.28 = 1.4（cm）选用14mm厚A3钢板制作。5.10.2封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式5如下：PQS=韵hC（cm）式中 P=0.4MPaD=500cm0=127MPaC=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）=0.70.4x400S = 2 x 127x0二 0.4 + 0.38 = 1.5（Cm）5.11接管设计5.11.1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100200mm。5.11.2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 Q = = 0.0108 3/s )3600 x 4发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物。物Q 0.0108( )F =0.011m 2/物 v管径：=0.785d 20011 二 0.118（m）0.7850.785取无缝管133X4mm, 125.mm118mm，认为合适。按通风管计算，压缩空气在0.4MPa下，支管气速为2025m/s。现通风比0.10.18vvm,为常温下20C, 0.1MPa下的情况，要折算 0.4MPa、30C状态。风量Q取大值,3 / min )= 0.463 / s)oQ 二 155 x 0.18 二1利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf80.1273 + 30(/ )Q = 0.46 x x= 0.14 w3 / s丿f0.35 273 + 20取风速v=25m/s,则风管截面积Ff为0.1425=0.0056（ 2）F = 0.785d 2f气则气管直径d气为：0.0056（）d 一 0.084Vm 丿气0.785因通风管也是排料管，故取两者的大值。取133X4mm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=lm/s；管道截面积：F = 0.785 x 0.1252 = 0.0123（m 2）,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P - Q = 0.。108 0.88（倍）Fv 0.0123 x 1排料时间：t 2x0.88 1.8Vh）5.12 支座选择选用裙式支座