发酵（制药）工厂设计课程设计

《发酵(制药)工厂设计》课程设计

说明书

设计题目 年产10.2万吨99%味精工厂发酵 工段（种子罐+发酵罐）工艺设计

姓 名 学 号 院 (系)

专 业 指导教师

2015 年 1 月 9 日

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年产10.2万吨99%味精工厂发酵工段工艺设计

摘要: 设计一个味精工厂，以工业淀粉（纯度80％）为原料，采用双酶法进行

糖化生产，谷氨酸纯度为99％。本设计从全工艺流程，物料、能量衡算、设备选型、工艺布置、车间设计、主要设备工艺设计几个方面对发酵车间进行设计。

关键词: 味精；谷氨酸；发酵；设计

The Fermentation Process Design Of The MSG Factory for the Annual Capacity

of 60,000 Tons/Year

Abstract: The design is to establish a monosodium glutamate factory. Its

raw material is starch that the purity is 80%; the technique method is double-enzyme saccarfication production; the purity of glutamates is 99%. The whole design includes plant technological process, metrical and energy balance, equipment selection, technological layout, workshop design and the main equipment technological process, which are to design an efficient fermentation workshop.

Key words: glumatic acid; monosodium glutamate; fermentation; Process design

目录

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1. 总论.............................................................................................................................................. 4

1.1. 概述 .................................................................................................................................. 5

1.1.1. 产品名称、性质 .................................................................................................... 5 医药工业 ........................................................................................................................... 5 制造工业 ........................................................................................................................... 6 农业领域 ........................................................................................................................... 6 1.2. 产品的各种生产方法 ...................................................................................................... 6

1.2.1. 水解提取法 ......................................................................................................... 6 1.2.2. 合成法 ................................................................................................................. 6 1.2.3. 发酵法 ................................................................................................................. 6 1.2.4. 味精各种制法的比较及选择 ................................................................................ 7 1.2.5. 产品质量标准 ........................................................................................................ 7 1.3. 设计任务 .......................................................................................................................... 7 2. 生产方案和生产流程的确定 ...................................................................................................... 7 3. 味精生产工艺概述 ...................................................................................................................... 8

3.1.1. 味精发酵总流程图（见下页图1） ..................................................................... 8 3.2. 原料及其预处理 .............................................................................................................. 8

3.2.1. 原料的种类 ............................................................................................................ 8 3.2.2. 原料预处理 ............................................................................................................ 9 3.2.3. 淀粉水解糖制备 .................................................................................................... 9 3.2.4. 种子扩大培养 ........................................................................................................ 9 3.3. 影响种子质量的主要因素 .............................................................................................. 9

3.3.1. 谷氨酸发酵 .......................................................................................................... 10 3.3.2. 谷氨酸生物合成途径 .......................................................................................... 11

4. 谷氨酸发酵工艺 ........................................................................................................................ 12

4.1. 发酵培养基 .................................................................................................................... 12 4.2. 培养基灭菌 .................................................................................................................... 12 4.3. 谷氨酸发酵 .................................................................................................................... 13 4.4. 发酵条件控制 ................................................................................................................ 13 4.5. 谷氨酸的提取 ................................................................................................................ 14 4.6. 谷氨酸制取味精及味精成品加工 ................................................................................ 15 5. 工艺计算 .................................................................................................................................... 16

5.1. 设计依据与主要工艺技术参数 .................................................................................... 16 5.2. 谷氨酸发酵车间的物料衡算 ........................................................................................ 17

5.2.1. 谷氨酸发酵车间的物料衡算 .............................................................................. 17 5.3. 102000吨味精厂发酵车间的物料衡算结果 ................................................................ 18 5.4. 热量衡算 ....................................................................................................................... 20

5.4.1. 液化工序热量衡算 ......................................................................................... 20 5.4.2. 连续灭菌和发酵工序热量衡算 ....................................................................... 21 5.4.3. 谷氨酸钠溶液浓缩结晶过程的热量衡算 ..................................................... 23 5.4.4. 干燥过程的热量衡算 .......................................................................................... 24 5.4.5. 生产过程耗用蒸汽衡算汇总衡算结果： .......................................................... 24 5.5. 无菌空气耗量计算 ........................................................................................................ 24 6. 设备设计与选型 ........................................................................................................................ 25

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6.1. 发酵罐 ............................................................................................................................ 25

6.1.1. 发酵罐的选型 ...................................................................................................... 25 6.1.2. 生产能力、数量和容积的确定 .......................................................................... 25 6.1.3. 主要尺寸的计算 .................................................................................................. 26 6.1.4. 冷却面积的计算 .................................................................................................. 26 6.1.5. 搅拌轴功率的计算 .............................................................................................. 28 6.1.6. 设备结构的工艺计算 .......................................................................................... 29 6.1.7.

设备材料的选择[10] ................................................................................................. 31 6.1.8. 发酵罐壁厚的计算 .............................................................................................. 31 6.1.9. 接管设计 .............................................................................................................. 32 6.2. 种子罐 ............................................................................................................................ 33

6.2.1. 三级种子罐容积和数量的确定 .......................................................................... 33 6.2.2. 二级种子罐 .......................................................................................................... 38 6.2.3. 一级种子罐 .......................................................................................................... 39 6.3. 空气分过滤器 ................................................................................................................ 39

6.3.1. 三级种子罐分过滤器： ...................................................................................... 39 6.3.2. 二级种子罐分过滤器： ...................................................................................... 39 6.3.3. 一级种子罐分过滤器： ...................................................................................... 40 6.3.4. 发酵罐分过滤器 .................................................................................................. 40 6.4. 味精厂发酵车间设备一览表 ........................................................................................ 41 7. 设备布置和管道布置 ................................................................................................................ 41 8. 总结............................................................................................................................................ 42

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1. 总论

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。

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1.1. 概述

1.1.1. 产品名称、性质

本次 味精，化学名称为L-谷氨酸钠(sodium L-glutamate),全称为L谷氨酸单钠一水化物或L-α-氨基戊二酸单钠一水化物(monosodium L-glutamate monohydrate,MSG),分子式C5H6O4NNa?H2O,具有旋光性,又称谷氨酸,麸酸钠,味素等.它是增强食品风味的增味剂,主要呈现鲜味,也称鲜味剂.味精呈无色或白色柱状结晶性粉末，无臭，有特殊鲜味。易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。无吸湿性，对光稳定，水溶液加温也较稳定.水中溶解度为64.1%(0℃).于100℃的温度下加热3h,分解率为0.6%,在120℃时失去结晶水,155-160℃或长时间受热,失水而味力降低.

1.1.2味精的应用范围 食品工业

味精在食品类方面可以作为一种添加剂，能够产生“鲜味”是其重要的功能。此外，味精还可以改善食品的自然风味，使食品克服异味。随着国家现代化、社会化的发展，食品加工业也在不断地壮大，同时对味精的需求量也越来越大。味精在罐头、冷藏食品、熟食品加工、小食品和快餐调料等方面的应用也日益广泛。

然而，我们在使用味精时，应该注意使用温度和烹饪方法。烧菜时，不要过早地放入味精。当烹调加热至120℃以上时，谷氨酸钠会发生化学变化，生成焦谷氨酸钠，既失去了鲜味，又对人体没有营养价值，而且还会有轻微的毒害作用。所以平时炒菜、做汤时，应该在临出锅时放入味精，并且不要把它放在有小苏打或碱的菜中，以免味精中的谷氨酸反应生成谷氨酸二钠，从而失去其鲜味。炒菜、做汤时，加点味精可以使菜、汤更加鲜美，但是，味精也不是越多越鲜，放多了反而会使舌头发麻，产生一种似咸非咸、似涩非涩的怪味[3]。

医药工业

谷氨酸钠进入到胃肠后，会很快分解出的谷氨酸，并且立即参与人体内正常物质代谢的过程；当人体内葡萄糖供应不足时，谷氨酸还能及时替补葡萄糖，作为脑组织活动的能源，改善大脑组织的一些机能；谷氨酸能与人体内血氨结合生成无毒的谷氨酰胺，具有保肝的重要生理功能并辅助治疗肝病、肝功能不全、肝功能受损及肝昏迷；谷氨酸钠在临床上用于治疗某些精神病疾患、增强记忆、安定情绪及对神经衰弱等有明显的效果和辅助治疗精神分裂症和癫痫病，谷氨酸钠已被列入许多国家的药典[2]。

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制造工业

焦谷氨酸钠（味精脱水后生成的产物），具有很好的吸湿性，能够保持皮肤湿润，防止皮肤干燥，并且可以增强皮肤、毛发的柔软性和弹性。日本已经有以谷氨酸钠（或谷氨酸）作为原料生产的化妆品、高级人造革和洗涤剂等产品。

农业领域

谷氨酸作为植物生长调节剂，可以增加柑橘果实的含糖量，降低酸度。另外，谷氨酸钠还可用于制备农药。谷氨酸钠不仅是西红柿的保护性杀菌剂，还是防治果树腐烂病的杀菌剂。它还可以用做微肥的载体，发挥微量元素的效果。

1.2. 产品的各种生产方法

味精制造方法分为水解提取法、合成法和发酵法三大类。现在水解提取法（蛋白质水解法和从废糖蜜中提取法）与合成法已停用。目前世界生产味精的厂商都在采用发酵法生产味精[2]。

1.2.1. 水解提取法

水解提取法包括植物蛋白质水解法和从甜菜糖蜜提取法。植物蛋白质水解法是生产味精的传统工艺，是以豆粕或面筋等植物蛋白为原料，加酸水解，使蛋白质水解成多种氨基酸，然后单离出谷氨酸，再制成味精。从甜菜糖蜜提取法，在制糖的过程中，用石灰石处理甜菜糖蜜，谷氨酸转化为焦谷氨酸，焦谷氨酸水解后可转化为谷氨酸，由于此方法收率低，而且不经济，已经停止使用。

1.2.2. 合成法

合成法是以丙烯腈、糠醛、环戊二烯或其他物质为原料来合成谷氨酸，再加工制成味精。化学合成方法制造味精有10多种方法，我国也曾经进行过合成法的小中型试验，但是没有工业化。

1.2.3. 发酵法

发酵法生产味精，是以糖蜜或淀粉为原料，经糖化、发酵、提取、中和和精制一系列工艺制成味精。

味精生产工艺流程：

原料的预处理及淀粉水解糖的制取 谷氨酸生产菌种子的扩大培养 6 谷氨酸发酵谷氨酸的提取与分离

图2-1 味精生产工艺流程图

1.2.4. 味精各种制法的比较及选择

三种制法中，以发酵法最为优越。它原料来源广阔，单耗低，设备腐蚀性小，生产成本低，经济效益高。现在世界各地都在普遍使用发酵法生产味精。所以本设计选择中糖发酵，一次等电点提取的方法制取味精。

1.2.5. 产品质量标准

生产符合国家QB/T8967-2007标准的味精。

1.3. 设计任务

本次设计为年产10.2万吨99%味精工厂发酵工段（种子罐+发酵罐）工艺设计。具体内容如下： 1.工艺流程设计； 2.物料衡算； 3.设备设计与选型； 4.设备布置设计； 5.物料管道设计； 6.图纸绘制（CAD绘制）： （1）工艺流程图 （2）设备布置图 （3）物料管道布置图

2. 生产方案和生产流程的确定

选择的主要依据有：原料来源、种类和性质；产品的质量和规格；生产规模；

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技术水平；建厂地区的自然环境；经济合理性。保证产品质量符合国家标准，外销产品还必须满足销售地区的质量要求；尽量采用成熟的、先进的技术和设备；尽量减少三废排放量，有完善的三废治理措施；确保安全生产，以保证人身和设备的安全；生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产、高产。

确定由原料到成品的各个生产过程顺序，即说明生产过程中物料和能量发生的变化及流向，应用了哪些生物反应或化工过程及设备，绘制工艺流程图。

xx工艺流程图见附件一

3. 味精生产工艺概述

利用淀粉为原料，双酶水解制糖后，通过微生物发酵、等电点沉淀提取生产味精的工艺使用目前最成熟、最典型的生产工艺。

味精生产全过程课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。

与上述工艺阶段相对应的味精生产工厂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，供水管路输送到各个生产需求部位。对于废水，应该进行一定的处理之后再排掉。

本文只是做前两个步骤，即（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。因此，相对应的两个车间的工艺分别为：糖化车间和发酵车间。

3.1.1. 味精发酵总流程图（见下页图1）

3.2. 原料及其预处理

3.2.1. 原料的种类

发酵生产谷氨酸的原料主要是淀粉，其次还有非粮食淀粉原料。淀粉来自粮食原料，通常利用各种各样的淀粉，如北方常用玉米淀粉，南方常用番薯淀粉等。非粮淀粉原料主要指甜菜或甘蔗蜜糖、醋酸、乙醇、正烷烃等。

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3.2.2. 原料预处理

非粮食原料除蜜糖外，一般均不需要预处理，可直接用来配制培养基；而蜜糖中色素含量过高，虽然生产菌可以良好生长，但采用一般谷氨酸，在采用蜜糖为原料进行谷氨酸发酵生产时，常要对蜜糖进行预处理。大多数谷氨酸发酵菌种都不能直接利用淀粉和糊精，因此用淀粉质原料进行谷氨酸发酵生产时，必须先将淀粉水解成葡萄糖，才能供发酵使用。

3.2.3. 淀粉水解糖制备

淀粉的水解方法有：酸水解法、酶水解法和酸酶水解法等3种。在工业生产上，淀粉的处理主要是指糖化，制得的水解糖叫淀粉糖。可以用来制备淀粉糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等。我国味精生产厂有的是采用酸水解法进行淀粉水解，既是以无机酸为催化剂，在高温高压下使淀粉快速水解成葡萄糖，

还有的更多的再生产上采用了酶水解法对淀粉进行水解。先用α-淀粉酶将淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶将糊精和低聚糖进一步水解成葡萄糖的方法，称为酶水解法。这里我们主要介绍酶水解法。

3.2.4. 种子扩大培养

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。

3.3. 影响种子质量的主要因素

种子培养基的氮源、生物素和磷盐的含量要适当高些，而葡萄糖的含量必须限制在2.5%左右，这样可以得到活力强的种子，避免由于糖多产酸，引起pH下降而引起种子老化[12]。

(1)种子对温度变化敏感。因此，在培养过程中温度不宜太高和波动过大，以免种子老化。

(2)在种子培养过程中通风搅拌要恰当。溶氧水平过高，菌体生长受抑制，糖的消耗十分缓慢，在一定的培养时间里，菌体数达不到所需求的数量，氧不足菌体生长缓慢，为了达到发酵所需菌体数，必须延长发酵时间。

(3)正处在对数期的细胞，其活力最高，一般以此阶段的细胞做种子，因此这就需要掌握好种子的培养时间。种龄过短，种子稚嫩，对环境的适应能力差；

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种龄过长细胞的活力已下降，当接入发酵培养基后会出现调整期延长现象。

斜面培养

摇瓶扩大培养

种子罐扩大培养

沉淀

图1 味精生产总工艺流程图

中和制味精 粗谷氨酸溶液 细谷氨酸 粗谷氨酸 溶解 母液 离子交换处理 离心 干燥 干燥 发酵 等电点调节 小结晶 大结晶 配料 浓缩结晶 离心 过滤除菌 淀粉水解糖 气液分离 过滤 脱色 水解 冷却 除铁 预处理 空气压缩机 菌种 原料 空气 拌盐粉碎 过滤 粉状味精 成品味精 3.3.1. 谷氨酸发酵

谷氨酸发酵属细菌发酵，培养基的主要成分时葡萄糖、尿素和磷酸盐等，因此发酵液较稀薄，不粘稠。放罐时的发酵温度在34℃左右。发酵液内主要有菌体、细菌的代谢产物和培养基的残留成分，这些物质的量因菌株和发酵工艺条件的不同而不同，通常发酵液中谷氨酸铵盐含量5%~8%,其他氨基酸（天冬氨酸、丙氨酸等）的含量不超过0.5%，残糖低于1%铵盐在0.8%左右，钠离子，镁离子、钾离子、氯离子、硫酸根离子和磷酸根离子等的含量很少，湿菌体占2%以上，同时含有一定量的有机酸、色素以及残存的消泡剂。

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3.3.2. 谷氨酸生物合成途径

谷氨酸合成方式 （1）氨基转移作用

在氨基转移酶的催化下，除甘氨酸外，任何氨基酸都可以与α-酮戊二酸变成谷氨酸。转化过程如图2

图2氨基转移作用

（2）还原氨基化作用

NH4+和供氢体[还原性辅酶II（NADPH2）]存在的条件下，α一酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化下形成谷氨酸 。转化过程如图3

图3还原氨基化作用

谷氨酸合成途径

谷氨酸生物合成途径主要有糖酵解途径（EMP途径）、磷酸己糖途径（HMP途径）、三羧酸循环（TCA）、乙醛酸循环、伍德-沃克反应（二氧化碳的固定反应）等。由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径如图4

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4. 谷氨酸发酵工艺 4.1. 发酵培养基

谷氨酸发酵培养基主要成分有碳源、氮源、生长因子和无机盐等。

（1） 碳源：淀粉水解糖、糖蜜、乙醇、烷烃。这里的碳源主要指葡萄糖由葡萄糖合成谷氨酸的反应如下式：

C12H12O6+NH3+

3O 2 C5H9NO4+CO2+3H2O 2上面反应式表示，一分子葡萄糖生成一分子谷氨酸，两者之间存在定量关系。其理论转化率89.7%，因此从理论上讲糖浓度越大，谷氨酸产量越高。但实际上，糖的浓度超过一定范围时反而不利于细菌细胞的增殖和谷氨酸的合成。反之，培养基中葡萄糖的浓度过低虽能提高糖酸转化率，但谷氨酸总量上不去。所以在配制培养基时，应综合考虑以上问题，选择适当浓度。 （2）氮源：铵盐、素、氨水。

通常工业发酵（C/N）为100：（0.5?2）而谷氨酸发酵为（C/N）＝100：（15?21），实际高达100：28原因有以下两方面：

a:用于调整pH。

b:分解产生的NH3从发酵液中逸出。产酸阶段：NH4不足：使?-酮戊二酸蓄积而很少有谷氨酸生成。NH4+过量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。

（3）无机盐：磷酸盐、镁、钾、钠、铁、锰、铜，其中磷酸盐对发酵有显著影响。不足：糖代谢受抑制，菌体生长不足。过多：a.细胞膜磷脂生成量多，不利于谷氨酸排出。b.促使丙酮酸和乙醛（由丙酮酸脱羧生成）缩合生成缬氨酸的前体物——?－乙醛乳酸，使缬氨酸在发酵液中蓄积。

(4)生长因子：生物素。作用：影响细胞膜通透性和代谢途径。

a:作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响磷酯的合成。

b:浓度过大：促进菌体生长，谷氨酸产量低。因为：a.乙醛酸循环活跃，?-酮戊二酸生成量减少。b.转氨酶活力增强，谷氨酸转变成其它氨基酸。

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4.2. 培养基灭菌

谷氨酸发酵培养基一般采用淀粉水解糖为主要碳源，实罐灭菌条件是105?110℃保温6min。连续灭菌所采用的灭菌条件是，连消塔灭菌温度为110?115℃，维持罐温105?110℃,约6?10min。培养基灭菌后冷却至30℃左右，

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即可接入种子进行发酵。

4.3. 谷氨酸发酵

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[2]

4.4. 发酵条件控制

（1）温度的控制

发酵过程中，谷氨酸产生菌的生长繁殖与谷氨酸的合成都是在酶的催化下进行的酶促反应，不同的酶促反应其反应温度不同。国内常用菌株的最适生长温度为30～34℃， 产生谷氨酸的最适温度为34～36℃。0～12h的发酵前期，主要是长菌阶段；发酵12h后，菌体进入平衡期，增殖速度变得缓慢；温度提高到34～36℃，谷氨酸的生成量就增加。

（2）pH的控制

发酵过程中pH的变化是微生物代谢情况的综合标志。一般发酵前期pH控制在7.5-8.5左右，发酵中、后期pH控制在7.0～7.2，调低pH的目的在于提高与谷氨酸合成有关的酶的活力。尿素被谷氨酸生产菌细胞的脲酶所分解放出氨，因而发酵液的pH会上升。发酵过程中，由于菌体不断利用氨，以及有机酸和谷氨酸等代谢产物进入发酵液，使N源不足和发酵液pH下降，需再次流加尿素 。

（3）溶解氧的控制

谷氨酸产生菌是兼性好氧性微生物，供氧不同菌体代谢产物不同。在实际生产中，搅拌转速固定不变，通常用调节通风量来改变供氧水平。通风比（ m3 /m3 .min ）：每分钟向1m3的发酵液中通入0.1m3无菌空气，用1:0.1表示。

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（4）OD值的控制

OD值是细菌个数、菌体大小和发酵液色泽深浅的综合反应。以B9和T6-13菌株为例，当初糖为12.5％～14%时，长菌期的OD净增值在0.7～0.9。当细胞进入平衡期后，OD值已达到最大值，此时细胞数不再增加，但因为细胞个体还会继续伸长增大，所以OD值会略有上升。

生物素是谷氨酸生产菌不可缺少的生长因子。当培养基的生物素将被耗尽时，细菌就停止增殖。

提高生物素的含量，OD值会上升，但一方面细胞的膜通透性会变差，影响谷氨酸从胞内往胞外渗出；另一方面，在高生物素环境下，菌体只进行增殖并不生成谷氨酸。

因此，控制OD值的增长，是保证菌体在胞外大量蓄积谷氨酸的重要手段 （5）泡沫的控制

泡沫过多培养基溶解氧减少，气体交换受阻，影响菌的呼吸和代谢，还影响装料系数等。

生产上为了控制泡沫，除了在发酵罐内安装机械消泡器外，还在发酵时加入消泡剂。

目前谷氨酸发酵常用的消泡剂有：花生油、豆油、玉米油、棉子油、泡敌和硅酮等。天然油脂类的消泡剂的用量较大，一般为发酵液的0.1%～0.2%(体积分数)，泡敌的用量为0.02%～0.03%(体积分数)。

4.5. 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］ 。

从谷氨酸发酵液中提取谷氨酸制成味精要经过以下工艺过程：谷氨酸加水溶解，用碳酸钠或氢氧化钠中和，经脱水，除铁、钙、镁等离子，再经蒸发浓缩、结晶、分离、干燥、筛选等单元操作，得到高纯度的晶体粉末或粉末味精。这个生产过程称为“制造味精”，精制得到的味精称为“散味精”。

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分离 谷氨酸中和 谷氨酸中和 谷氨酸 水 纯碱 脱色除铁 浓缩结晶

食盐 干燥 粉碎 味精母液 湿味精 次品味精

报装 筛选 混盐 包装 包装

含盐味精 粉体味精 晶体味精 谷氨酸制造味精生产工艺流程如图4

4.6. 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

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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更好些。

5. 工艺计算

5.1. 设计依据与主要工艺技术参数

生产规模： 102000吨／年 生产规格： 纯度为99％的味精

生产方法： 以工业淀粉为原料、双酶法糖化、流加糖发酵，低温浓缩、等电提取

生产天数： 300天／年 倒罐率： 0.5％

发酵周期：40-42小时 生产周期：48-50小时 种子发酵周期：8-10小时 种子生产周期：12-16小时

发酵醪初糖浓度： 15％(W／V) 流加糖浓度：45％(W／V) 发酵谷氨酸产率： 10％ 糖酸转化率： 56％

淀粉糖转化率： 98％ 谷氨酸提取收率： 92％

味精对谷氨酸的精制收率：112％ 原料淀粉含量：86％ 发酵罐接种量： 8％ 发酵罐填充系数： 75％ 发酵培养基(W/V)： 水解糖 15％，糖蜜 0.3％，玉米浆 0.2%，MgSO4 0.04％，KCl 0.12％，Na2HPO4 0.16%，尿素 4％，消泡剂 0.04％

种子培养基(W/V)： 水解糖 2.5％，糖蜜 2％，玉米浆 l %，MgSO4 0.04％，K2HPO4 0.1％，尿素 0.35％，消泡剂 0.03％

16

5.2. 谷氨酸发酵车间的物料衡算

5.2.1. 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

V1=1000/(150*56%*92%*99.5%*112%)=11.61(m3)

式中 150——发酵培养基初糖浓度（kg/m3） 56%——糖酸转化率 92%——谷氨酸提取率

99.5%——除去倒灌率0.5%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，

G1=V1*150=1741.5(kg)

（3）二级种液量 V2

V2=8%V1=0.9288 (m3)

（4）二级种子培养液所需水解糖量 G2 G2=V2*25=23.22(kg)

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： G=G1+G2=1764.72(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，故理论上耗用的淀粉量G淀粉为：

G淀粉=1764.72/(86%*98%*111%)=1886.4(kg)

式中 86%——淀粉原料含纯淀粉量 98%——淀粉糖转化率 （7）尿素耗用量

二级种液耗尿素量为V3 V3=3.5V2=3..25(kg)

发酵培养基耗尿素为V4 V4=40V1=464.4(kg)

故共耗尿素量为467.65kg. （8）甘蔗糖蜜耗用量

二级种液耗用糖蜜量V5 V5=20V2=18.576(kg)

发酵培养基耗糖蜜量V6 V6=3V1=34.83(kg)

合计耗糖蜜53.406kg （9）氯化钾耗量GKCl GKCl=1.2V1=13.932(kg)

（10）磷酸氢二钾（K2HPO4）耗量G3

17

G3=1V2=0.929(kg)

（11）硫酸镁（MgSO4·7H2O）用量G4 G4=0.4(V1+V2)=5.016(kg)

（12）消泡剂（泡敌）耗用量G5 G5=0.4V1+0.3V2=4.923(kg) （13）磷酸氢二钠耗用量G6

G6=1.6V1=18.576(kg)

（14）谷氨酸（麸酸）量

发酵液谷氨酸含量为：

G1*56%*(1-0.5%)=970.36(kg)

实际生产的谷氨酸（提取率92%）为： 970.36*0.92=892.73(kg) （15）玉米浆用量

G7=2V1+10V2=32.508(kg)

5.3. 102000吨味精厂发酵车间的物料衡算结果

由上述生产的1t味精（100%纯度）的物料衡算结果，可求得1020000t/a味精厂（99%纯度）发酵车间的物料平衡计算。具体计算结果如表1所示

表一 年产102000吨味精物料衡算表

18

物料名称 发酵液（m3） 生产1t味精102000t/a味精（100%）的物料生产的物料量 量 11.61 1.184*10 9.474*10 1.776*10 2.368*10 1.8*10 1.924*10 4.770*10 5.447*10 1.421*10 9.476*10 5.116*10 5.021*10 1.895*10 3.316*10 9.106*10 766554667886846每日物料量 3.947*10 3.158*10 5.921*10 7.895*10 6.000*10 6.414*10 1.590*10 1.816*10 4.737*10 3.15*10 1.705*10 1.674*10 6.316*10 1.105*10 3.035*10 543332345553523二级种液（m3） 0.9288 发酵水解用糖（kg） 二级种培养用糖（kg） 水解糖总量（kg） 淀粉(kg) 1741.5 23.22 1764.72 1886.4 尿素（或液氨）467.65 (kg) 糖蜜（kg） 氯化钾（kg） 磷酸氢二钾（kg） 硫酸镁（kg） 泡敌（kg） 磷酸氢二钠（kg） 玉米浆（kg） 谷氨酸（kg）

53.406 13.932 0.929 5.016 4.923 18.576 32.508 892.73 19

5.4. 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： Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6 5.4.1. 液化工序热量衡算

（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)/(I+λ) 式中 G--淀粉浆量（kg/h）

C--淀粉浆比热容（kJ/（kg·K）） t1--浆料初温（20+273=293K） t2--液化温度（90+273=363K）

I--加热蒸汽焓，2738kJ/kg（0.3Mpa，表压） λ--加热蒸汽凝结水的焓，在363K时为377kJ/kg ①淀粉浆量G：根据物料衡算，日投工业淀粉641t；连续液化，

641/24=26.70（t/h）。加水为1：2.5，粉浆量为：26.70×3.5=93.48（t/h）=93480(kg/h)。

②粉浆比热C可按下式计算： C=C0*X +C水*(1-X)

式中 C0--淀粉质比热容，取1.55kJ/（kg·K） X--粉浆干物质含量，71.4% C水--水的比热容，4.18kJ/（kg·K）

C=1.55*0.714 +4.18 *0.286=2.30（kJ/（kg·K）） ③蒸汽用量

D= G*C*(t2-t1)/(I+λ)=4832（kg/h） （2）灭酶用蒸汽量

灭酶时将液化液由90℃加热至100℃，在100℃时的λ为419kJ/kg。 D灭= =93480*2.3*10/(2738+419)=681（kg/h）

要求在20min内使液化液由90℃升至100℃，则蒸汽高峰量为： 681× 3=2043（kg/h）

以上两项合计，平均量4832+681=5513（kg/h）； 每日用量5.513×24=132.31（t/d）。 高峰量： 4832+2043=6875（kg/h）

20

5.4.2. 连续灭菌和发酵工序热量衡算

（1）培养液连续灭菌用蒸汽量

每日所用物料量为3.947×10（m3）

现选用全容量为200m3的发酵罐，需3947/200=22 (台)

发酵操作时间48h（其中发酵时间40h），需发酵罐台数44台。 日运转：44×40/48=37(台)

每罐初始溶液体积200×75%=150（m3）

灭菌加热过程中用0.4Mpa蒸汽（表压）I=2742kJ/kg，使用板式换热器将物料由20℃预热至75℃，再加热至120℃。冷却水由20℃升至45℃。 每罐灭菌时间3h，输料流量150/3=50（m3/h） 消毒灭菌用蒸汽量（D）： D =50×3.34×(120-75)/(2742-120×4.18)=3.354（t/h） 式中 3.34为糖液的比热容（kJ/（kg/K）） 每日用蒸汽量： 3.354×24=80.5（t/d） 高峰量： 80.5kg/d 平均量： 80.5÷24=3.354（t/h） （2）发酵罐空罐灭菌蒸汽用量

①发酵罐体加热：200m3，1Cr18Ni9的发酵罐体重34.3t，冷却排管重6t，1Cr18Ni9的比热容0.5kJ/（kg·K），用0.2Mpa（表压）蒸汽灭菌I=2718kJ/kg，使发酵罐在0.15 Mpa（表压）下，由20℃升至127℃。

（34300?6000）?0.5?(127?20)其蒸汽量为=985.8（kg）

2718-127?4.183

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=Vρ=200×1.622=324.4（kg）

式中 V--发酵罐自由空间即全容积（m3）

ρ--加热蒸汽的密度（kg/m3），0.2Mpa表压时为1.622

③灭菌过程的热损失：辐射与对流联合给热系数α，罐外壁温度70℃。 α=33.9+0.19×（70-20）=43.4（kJ/（m2·h·K）） 200m3发酵罐的表面积为210 m2，耗用蒸汽量：

210?43.4?(70?20)D损= =208.4（kg）

2718?127?4.18④罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗

21

210?0.001?1000?(127?20)?4.18=42.9（kg）

2718?127?4.18式中： 0.001—附壁水平均厚度（1㎜） 1000—水密度 （㎏/m3）

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：

985.8?324.4?208.4?42.91?0.05每空罐灭菌1h，用蒸汽量：

1643.7×1=1643.7（kg/罐）

每日用蒸汽量：

1643.7×22=36161.4（kg/d），

平均量：

36161.4/24=1507（kg/h）

=1643.7（kg/h）

22

5.4.3. 谷氨酸钠溶液浓缩结晶过程的热量衡算

年产万吨商品味精，日产100%MSG 340t，选用25m3强制内循环结晶罐，浓缩结晶操作周期24h，其中辅助时间4h。每罐产100%MSG 10t，需结晶罐台34台。每罐投入40g/dl的中和脱色液（俗称原液）23m3，流加30g/dl母液32m3，过程中加水6m3，在70℃下真空蒸发结晶，浓缩3h，育晶17h。放料数量20m3 （1）热量衡算

①来料带入热量：进料温度35℃，比热为3.5kJ/（kg·K） Q来料=（23×1.16+32×1.13）×3.5×35×103=7.7×106（kJ） ②加水带入热量：

Q来水=6×4.18×35×103=8.8×105（kJ） ③晶种带入热量：MSG比热容1.67（kJ/（kg·K）） Q来晶=1600×1.67×20=5.3×104（kJ） ④结晶放热：MSG结晶热为12.7kJ/mol Q晶热= =5.7×105（kJ）

⑤母液带走热量：分离母液12m，折算为相对密度1.26时15t，比热容为2.83（kJ/（kg·K））

Q=15×103×2.83×70=3.0×106（KJ） ⑥随二次蒸汽带走热量：

Q二蒸=（23+32+6-20）×2626×106=1.077×108（kJ）

⑦随结晶MSG带走热量：

Q出晶=10×103×1.67×70=1.17×106（kJ） 需外界供给热量：

Q=（Q母+Q二蒸+Q出晶）-（Q来料+Q来水+Q来晶+Q晶热） =（3.0×106+1.077×108+1.17×106）-（7.7×106+8.8×105+5.3×104+5.7×105）

=9.5×107（kJ） （2）计算蒸汽用量

每罐次用汽量：热损按5%折算。 D= =45830（kg/罐）

每罐浓缩结晶时间20h，每小时耗蒸汽高峰量：45830/20=2292（kg/h） 34台罐同时运转，高峰用蒸汽量： 34×2292=77928（kg/h） 每日用蒸汽量：

23

3

34×45830=1558220（kg/d）=1558.2（t/d）

每小时平均用蒸汽量：1558.2/24=64.9（t/h）

5.4.4. 干燥过程的热量衡算

分离后之湿MSG含水2%，干燥后达到0.2%，进加热之空气为18℃，相对湿度ψ=70%，通过加热器使空气升至80℃，从干燥器出来的空气为60℃。

年产11万吨商品味精，日产干味精340t,湿味精347t，二班生产，即347/16=21.7（t/h）。干燥水分量500（kg/h）

18℃空气湿含量ψ=70%，X0=0.009（kg/kg干空气），I0=41.8kJ/kg干空气；加热80℃，I1=104.5kJ/kg干空气 用公式：

Δ=（I2-I1）/（X2-X1）=Q物料+Q损失-Q初温

式中 Δ--空气经过干燥后的热量变化（kJ/kg） Q损失--损失热量，通常为有效热量的10% Q物料=21.7×103×（60-18）×0.4×4.18/500=3048（kJ/kg水） Q损失=0.1×（595×4.18+0.47×60×4.18+3924-18×4.18）=645（kJ/kg水） Δ=18×4.18-3048-645= -3617（kJ/kg水） 设X2=0.0108

I2=I1+Δ（X2-X1）=104.5+（-3617）（0.0108-0.009）=97.98（kJ/kg空气） 空气耗量为：

500/(0.0108-0.009)=50505（kg/h） 80℃时空气的比容0.83m3/kg 实际消耗空气量为： 50505×0.83=41919（m3/h）

耗用蒸汽量（D）：使用0.1Mpa（表压）蒸汽加热，热损失按15%计： D= 1558.2（kg/h）

每日用蒸汽量：1558.2×16=24931.2（kg/d）=24.93(t/d) 平均每小时用蒸汽量：24931.2/24=1038.8（kg/h） 5.4.5. 生产过程耗用蒸汽衡算汇总衡算结果：

每日用蒸汽量为1806t/d，每小时平均量为75.3t/h，高峰量为76.6t/h。100%MSG单耗蒸汽量：1806/340=5.31（t/t）。 年产102000吨味精热量衡算表 名称 每日用量（t） 每小时均量（t） 高峰量（t） 单耗（t） 蒸汽 1806 75.3 76.6 5.31 5.5. 无菌空气耗量计算

（1）单罐无菌空气耗用量

200m3规模的通气搅拌发酵罐的通气速率为0.20-0.45vvn，取0.45计算 ①单罐发酵过程用气量：

V=200×75%×0.45×60=4050（m3/h）

24

②单罐年用气量： V1=4050×38×300/2=23085000（m3/a） （2）种子培养等其他无菌空气耗量

有经验去耗气量为发酵过程的20% 故：

V`=V×20%=810（m3/h） 单罐年用气量：

V1`=810×38×300/8=1154250（m3/a） （3）高峰无菌空气耗量：

V max=10V+6V`=45360（m3/h）

（4）车间无菌空气年耗量：

V t=10V1+6V1=2.38×108（m3/a） （5）单耗：V0=Vt/G=125（m3/h）

年产110000吨味精无菌空气衡算表： 发酵罐公称单罐通气量种子罐耗气高峰空气耗年空气耗量空气单耗容积（m3） （m3/h） 量（m3/h） 量（m3/h） （m3/a） （m3/h） 200 4050 810 45360 2.38×108 125 6. 设备设计与选型

6.1. 发酵罐

6.1.1. 发酵罐的选型

选用机械涡轮搅拌通风发酵罐

6.1.2. 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340t，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99%的味精340t，每吨100%的味精需糖液11.61m3 则每天需糖液体积为V： V糖=11.61×340×99%=3907.9（m3）

设发酵罐的填充系数φ=75%；则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V（发0酵周期为48h）。

V0=V糖/φ=3907.9/75%=5210(m3)

③发酵罐个数的确定：公称体积为200m3的发酵罐，总体积为230 m3 N1=V0T/V总=5210*48/230/24=46(个)

取公称体积200 m3 发酵罐46个，其中一个留作备用,共47个。 实际产量验算：

230*0.75*24/(11.61*99%)*300=103554(t/a)

25

富裕量

(103554-102000)/102000=0.59%

能满足产量要求

6.1.3. 主要尺寸的计算：取高径比 H：D=2：1

V全?V筒?2V封?230m3；

则有：

π3V全?0.785D2?2D?D?2?23024

H=2D； 解方程得：

1.57D3?0.26D3?230

D?3230?5.004?m?1.83

取D=5m H=2D=10m；

封头高：

?mm? H封?ha?hb?1300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：

‘3V?V?2V?197?2?16.4?229.8m全筒封??

V全=V’全

符合设计要求，可行。

6.1.4. 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)。

采用竖式蛇管换热器，取经验值K=4.18×500 kJ/(m3·h·℃)。 平均温差Δtm：

Δtm?Δt1?Δt2Δtln1Δt2

32℃ 32℃ 20℃ 27℃

26

12 5

代入

Δtm?12?5?8℃12ln5

对公称容量200 m3的发酵罐，每天装24罐，每罐实际装液量为 3947/24=164.5(m3)

换热面积

F=Q/K△tm=252.6(m3)

（5）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 D5Di???1.67?m?33 取d=1.7（m）

叶宽 ：

B?0.2d?0.2?1.7?0.34?m?

弧长：

l?0.375d?0.375?1.7?0.64?m? 底距： D5C???1.7?m?33 盘踞 ：

di?0.75Di?0.75?1.7?1.28?m?

叶弦长：

L?0.25Di?0.25?1.7?0.43?m?

叶距 ：

Y?D?5?m?

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：

?D1?N2?N1??D???2??1.05??110???1.7??

2/32/3

?80?r/min?27

6.1.5. 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]

D2NρRem?μ

式中 D——搅拌器直径，D=1.7m N——搅拌器转速，

N?80?1.33?r/s?60

ρ——醪液密度，ρ=1050 kg/m3

μ——醪液粘度， μ=1.3×10-3N·s/m2 将数代入上式：

1.72?1.33?1050Rem??3.1?106＞104?31.3?10

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：

P0?NPN3D5ρ

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： P0'?4.7?1.333?1.75?1050

3?88.2?10W?88.2kW两挡搅拌：

P0?2P0'?176.4kW ③计算通风时的轴功率Pg

?P02ND3??3?Pg?2.25?10???Q0.08???0.39?kW?

224P?176.4?3.1?100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）

Q0.08?1.7?107??0.08?3.79

28

代入上式：

?3.1?104?80?4.9?106?3Pg?2.25?10???3.79??69.1?kW?????0.39

④求电机功率P电：

P电?Pg

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：

69.1P??1.01?78.2?kW?电0.92?0.99?0.98

?1?2?3?1.016.1.6. 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 Ⅰ 最高负荷下的耗水量W

W?Q总cP?t2?t1?

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

Q总?4.18?6000?155?3.89?106?kJ/h?

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

3.89?106W?4.18??27?20??1.33?105?kg/h??36.9?kg/s?

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：

WS总?v

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：

3.69?10?2S总??3.69?10?2m21

?? 29

进水总管直径 ：

3.69?10?2d总???0.217?m?0.7850.785

S总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：

d0??S总n?0.785?23.69?10?0.077?m?8?0.785

查金属材料表选取φ89×4mm无缝管[9]，

d内?81mm g?5.12kg/m，

d内?d0，认为可满足要求，d平均?80mm。

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l0：

?mm? l0??D?3.14?600?1884Ⅲ 冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积

F=252.6(m2)

现取无缝钢管φ89×4mm，每米长冷却面积为

F0?3.14?0.08?1?0.25m2

则:

L=F/F0=252.6/0.25=1010(m)

冷却管占有体积：

V=0.785*0.0892*1010=6.3(m3) Ⅳ 每组管长L0和管组高度： L0=L/12=84.2(m)

另需连接管8m： L实=L+8=1018(m)

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 V总=V液+V管+V附件=168.4+6.3+0.5=175.2（m3）

则筒体部分液深为：

（V总-V封）/S=(175.2-16.4)/0.785*52=8.1(m)

竖式蛇管总高

H管=8.1+0.25=8.4（m）

又两端弯管总长l0?1884mm，两端弯管总高为600mm， 则直管部分高度： h=H管-600=7800（mm）

30

??

则一圈管长：

l=2h+l0=2*7800+1884=17484(mm) Ⅴ 每组管子圈数n0： n0= L0/l=84.2/17.5=5(圈)

现取管间距为2.5D外?2.5?0.089?0.22?m?，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： F实=3.14*0.08*1018=255.7（m2）

而前有F=252.6m2，F实?F，可满足要求。 6.1.7. 设备材料的选择[10]

选用A3钢制作，以降低设备费用。

6.1.8. 发酵罐壁厚的计算

①计算法确定发酵罐的壁厚S

S?PQ?C （cm）

2?????P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）

C?C1?C2?C3

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

C?0.8?2?0?2.8?mm??0.28?cm?

0.4?500?0.28?1.4?cm?

2?127?0.7?0.4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： S?S?PQ?C （cm）

2?????P式中 P=0.4MPa D=500cm

〔σ〕=127MPa

C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm） φ=0.7

31

S?0.4?400?0.38?1.5?cm?

2?127?0.7?0.46.1.9. 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168.4m3，设4h之内排空，则物料体积流量 Q=168.4/3600/4=0.0117（m3/s）

发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物。 F物=Q/v=0.0117(m2)

F物?0.785d2

管径： d=0.122

取无缝管φ133×4mm，125.mm〉122mm，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，Q1?155?0.18?28m3/min?0.46m3/s。 利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf[8]

0.1273?30Qf?0.46???0.14?m3/s?

0.35273?20取风速v=25m/s，则风管截面积Ff为

Ff?Qfv?0.14?0.0056m2 25??????2 Ff?0.785d气则气管直径d气为：

d气?0.0056?0.084?m? 0.785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=0.0117m3/s，流速v=1m/s； 管道截面积：

F?0.785?0.1252?0.0123m2，

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/F v=0.0117/0.0123=0.95

排料时间： t=0.95*2=1.9(h)

32

??

6.2. 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。

6.2.1. 三级种子罐容积和数量的确定

①三级种子罐容积的确定：接种量为8%计算，则种子罐容积V种2为： V种3=V总*8%=18.4（m3）

式中 V总——发酵罐总容积（m3） ② 三级种子罐个数的确定：选用公称容积为20m3的发酵罐种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上24罐，需二级种子罐25个。种子罐培养8h，辅助操作时间4~8h，生产周期12~16h，因此，二级种子罐25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：

‘‘’V总?V筒?2V封

简化方程如下：

?3‘V?2?D?0.785D2?2D?18.4?m3? 总24整理后

1.57D3?0.26D3?18.4

解方程得 D=2.16m

则

H=2D=2×2.16=4.32（m） 查得封头高H'封

‘?mm? H封?350?25?375 罐体总高H'罐：

‘‘’ H?2H?H封筒?2?375?4320?5070?mm?罐单个封头容量：

V'封=4.125（m3）

封头表面积： S封=2.23m2

圆筒容量 ：

V`筒=0.785D2*2D=15.8（m3）

不计上封头容积 ：

V`有效=V`封+V`筒=19.93（m3） 校核种子罐总容积V'总：

33

‘’‘3V?2V?V?2?4.125?15.8?24.05m?? 总封筒比需要的种子罐容积18.4m3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：

Q总=4.18*6000*168.4*8%=3.38*105(KJ/h) Ⅱ 夹套传热系数：

K?4.18??150~250?kJ/m2?h?℃

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

平均温差： 9?5?tm??7℃2

Ⅳ 需冷却面积F：

5Q总3.3?810 F???26.?3m2?

K?tm4.1?82?207??Ⅴ 核算夹套冷却面积：按静止液深确定夹套高度：

静止液体浸没筒体高度 ：

H0?V醪?V封18.4-4.125??3.90?m? 2S罐0.785?2.16 液深 ：

HL?H封?H0?375?3980?4335?mm?

夹套可能实现的冷却面积为封头表面面积S封与圆筒被液体浸没的筒体为表

面积S筒之和：

S夹?S筒?S封??DH0?S封 2?3.14?2.16?3.9?2.23?28.7?m?夹套高度应不高于动态时的液面高度，因高于液面的传热面积，并没有起多少冷却作用。

综上，传热需要的面积F=26.3(m2)

该设计夹套能提供的冷却面积为S夹=28.7 m2 S夹〉F，可满足工艺要求。 ⑤设备材料的选择 采用A3钢制作 ⑥壁厚计算

Ⅰ 夹套内罐的壁厚

式中 D——设备的公称直径，140cm m——外压容器的稳定系数，与设备的起始椭圆度有关，在我国，m=3

34

?mPL?S?D???2.6ED?0.4?C P——设计压力，与水压有关，P=0.4MPa E——金属材料的弹性模量[9]，对A3钢E=2×105MPa C——壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18 L——筒体长度，L=110cm

将数值代入公式：

?3?0.4?110?S?140???52.6?2?10?140???0.89?cm?0.4?0.18

取9mm

Ⅱ 封头的厚度δ封：查《发酵工厂工艺设计概论》P317表16 碳钢椭圆封头最大需用内部压力

i 对于上封头，取δ封=6mm ii 对于下封头，取δ封=8mm

Ⅲ 冷却外套壁厚：查《发酵工厂工艺设计概论》P314表13 碳钢与普低钢制内压圆筒壁厚，确定δ套=5mm

Ⅳ 外套封头壁厚：查《发酵工厂工艺设计概论》P316表15 椭圆形封头（JBH54—73），确定δ套封=6mm ⑦设备结构的工艺设计

B?Z?0.5DⅠ 挡板：根据全挡板条件，

式中 B——挡板宽度B＝（0.1-0.12）D=0.1×1400=140mm

D——罐径 D＝1400mm Z——挡板数：

D1400Z?0.5?0.5??5B140 取Z＝6块

Ⅱ 搅拌器：采用六弯叶涡轮搅拌器

直径： Di＝0.3~0.35D

现取：

Di?0.35D?0.35?1400?490mm 叶片宽度：

h?0.2Di?0.2?1400?280mm

弧长：

r?0.375Di?0.375?1400?525mm

盘径：

??0.75Di?0.75?1400?1050mm

叶弦长：

35

l?0.25Di?0.25?1400?350mm

搅拌器间距：

Y?Di?490mm

底距： b?490mm

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Di=112mm

?D1N2?N1??D?2?112??470??490??????2/32/3

?176?r/min?两挡搅拌。

Ⅲ 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。 i 计算Rem[8]

D2NρRem?μ

式中 D——搅拌器直径，D=0.49m N——搅拌器转速，

N?176?2.93?r/s?60

ρ——醪液密度，ρ=1050 kg/m3

μ——醪液粘度， μ=1.3×10-3N·s/m2

将数代入上式：

0.492?2.93?105054Rem??5.68?10＞101.3?10?3

视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7

ii 计算不通气时的搅拌轴功率P0：

35P?NNDρ P 0式中 Np——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7 N——搅拌转速，N=176r/min=2.93r/s D——搅拌器直径，D=0.49m

ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3 代入上式：

P0'?4.7?2.933?0.495?1050

3?3.5?10W?3.5kW

36

'P?2P?7kW 00两挡搅拌

iii 计算通风时的轴功率Pg

?P02ND3??3Pg?2.25?10???Q0.08????0.39?kW?

22P?7?49 0式中 P0——不通风时搅拌轴功率（kW），

N——轴转速，N=176r/min

D——搅拌器直径（cm），D3=0.493×106=1.12×105

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=3.1×0.11×106=3.41×105（ml/min）

Q0.08?3.41?105代入上式：

??0.08?2.77

0.39?49?176?1.12?105??3?Pg?2.25?10????2.77???4.83?kW?

iv 求电机功率P电：

P电?Pg

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：

4.83P??1.01?5.47?kW?电0.92?0.99?0.98

Ⅳ 进风管：该管距罐底25~60mm之间，现取30mm向下单管。

通风管管径计算：设罐压0.4MPa，发酵温度t=32℃，风速v=20m/s，通风量为0.18VVm，

常压下t0=20℃，送风量V为：

?1?2?3?1.01V?3.1?0.18?0.56m3/min

将通风换算成工作状态，求通风管直径d1

??V?d1?0.1273?t?P273?t00.785?v?60

0.56??0.1305?0.4293?0.012?m??12?mm?0.785?20?60圆整，查《发酵工厂工艺设计概论》，P313表12，无缝钢管(YB231-70)，管

37

径采用25×3mm ,内径25-2×3=19 mm大于12 mm，可满足生产要求。

Ⅵ 进出物料管：该管为物料进口，管底距罐底25~60mm之间，现取30mm向下单管。

按输送物料算：20min送完3.1m3物料 则物料流量为 3.1V物??0.0026m3/s

20?60管道截面为F，物料流速为v=0.5~1m/s，现取v=0.5m/s，则：

F?V物v?0.0026?0.0052m2 0.5??设管径为：

d2?F0.0052??0.08?m? 0.7850.785圆整，查《发酵工厂工艺设计概论》，P313表12，无缝钢管(YB231-70)，管

径采用108×4mm ,内径108-2×4=100 mm大于80 mm，可满足生产要求。 Ⅶ 冷却水管：由前知需冷却热量Qmax?3.38?105kJ/h，冷却水温变化 23℃ 27℃，

水比热容cw?1?4.18kJ/?kg?℃? 则耗水量W为：

Q3.38?105W???20215?kg/h?

cw?t1?t2?4.18??27?23?取水流速v=4m/s；则冷却管直径为 ⑧支座选型 选用支撑式支座d?5.615?0.04?m?

4?0.7856.2.2. 二级种子罐

① 二级种子罐的选型

选用机械搅拌通风发酵罐

② 二级种子罐容积和数量的确定

种子罐容积的确定：接种量按8%计算，则种子罐容积V种1为

V种2?V种3?8%?18.4?8%?1.472?m3?

故选用公称体积为5.0m3的发酵罐，发酵罐的主要尺寸为：罐内径1500mm，圆柱高3000mm，封头高400mm，罐体总高3800mm，封头容积487L，圆柱部分容积5.3L，不计上封头的容积5.79L，全容积6.27L，搅拌桨直径525mm。冷却选用夹套冷却[10]。

二级种子罐个数的确定：二级种子罐与三级种子罐对应上料。三级种子罐平

38

均每天上24罐，需二级种子罐25个。种子罐培养8h，辅助操作时间4~8h，生产周期12~16h，因此，二级种子罐25个已足够，其中一个备用。

6.2.3. 一级种子罐

① 一级种子罐的选型

选用机械搅拌通风发酵罐

② 一级种子罐容积和数量的确定

种子罐容积的确定：接种量按8%计算，则种子罐容积V种1为

V种1?V种2?8%?1.472?8%?0.118?m3?

故选用公称体积为200L的发酵罐，发酵罐的主要尺寸为：罐内径500mm，圆柱高1000mm，封头高150mm，罐体总高1300mm，封头容积21.3L，圆柱部分容积197L，不计上封头的容积218L，全容积239L，搅拌桨直径168mm。冷却选用夹套冷却[10]。

一级种子罐个数的确定：一级种子罐与二级种子罐对应上料。二级种子罐平均每天上24罐，需一级种子罐25个。种子罐培养8h，辅助操作时间4~8h，生产周期12~16h，因此，一级种子罐25个已足够，其中一个备用。

6.3. 空气分过滤器

6.3.1. 三级种子罐分过滤器：

三级分过滤器风量的计算：

0.13051V?13.472?0.18????0.0105?m3/s??0.631?m3/min?

0.429360D滤层?

D滤层= 0.259（m）

D过滤层=1.3*0.259=0.337（m）

查《生物工程设备》P389 表3-1-9 JLS-D型空气过滤器技术特性，选用JLS-D-025型空气过滤器，过滤能力0.25m3/min，外型尺寸φ75×520mm, 重量5kg，进出口管径φ20×20，与种子罐进风口不一致，可采用法兰变径即可。过滤能力0.25m3/min大于0.144m3/min，能满足生产要求。 数量与二级种子罐数量一致，共26只。

4V?vs6.3.2. 二级种子罐分过滤器：

二级分过滤器风量的计算：

0.13051V?1.078?0.18????0.00084?m3/s??0.0504?m3/min?

0.429360D滤层= 0.073（m）

D过滤层=1.3*0.073=0.095（m）

39

查《生物工程设备》P389 表3-1-9 JLS-D型空气过滤器技术特性，选用JLS-D-025型空气过滤器，过滤能力0.25m3/min，外型尺寸φ75×520mm, 重量5kg，进出口管径φ20×20，与种子罐进风口不一致，可采用法兰变径即可。过滤能力0.25m3/min大于0.0504m3/min，能满足生产要求。 数量与二级种子罐数量一致，共26只。

6.3.3. 一级种子罐分过滤器：

一级分过滤器风量的计算：

0.13051V?0.00084?0.18????0.000067?m3/s??0.00403?m3/min?

0.429360D滤层= 0.000428（m）

D过滤层=1.3*0.073=0.000556（m）

查《生物工程设备》P389 表3-1-9 JLS-D型空气过滤器技术特性，选用JLS-D-001型空气过滤器，过滤能力0.01m3/min，外型尺寸φ22×150mm, 重量0.2kg，进出口管径φ6×1，与种子罐进风口不一致，可采用法兰变径即可。过滤能力0.01m3/min大于0.00403m3/min，能满足生产要求。数量与一级种子罐数量一致，共26只。

6.3.4. 发酵罐分过滤器

①分过滤器滤层直径计算：

D滤层?

式中 V——通过发酵罐分过滤器的空气流量（0.4MPa下）

0.13051???0.13?m3/s? V?168.4?0.18?0.429360 Vs——通过分过滤器的气速，现取0.2m/s 则 D滤层?4V?vs4?0.13 ?0.91?0?m3.1?40.2② 分过滤器直径：

D过滤器?1.1~1.3D滤层。

现取 ：

D过滤器?1.3D滤层?1.3?0.910?1.183?m?

查金属材料表，选无缝钢管，或用钢板卷制。圆整倒推荐值：

D过滤器=1200mm

③分过滤器的壁厚：设计压力P=0.5MPa

0.5?90.0S??0.28?0.53?cm?2?127?0.7?0.5 取S=6mm。

④进出气管：进出气管直径可取与设备通风管一致，即φ133×4无缝管 ⑤数量：分过滤器与发酵罐相配合，每罐一个，共需47台。

40

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