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：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。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120℃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：①酸解法；②酶解法；③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10-11˚Bx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80℃，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70℃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15˚Bx，pH6.0，加细菌α-淀粉酶在85℃下液化30min，加糖化酶60℃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—葡萄糖—消泡剂水—↓—水无机盐—→配料罐→定容罐定容罐←配料罐←←—无机盐糖蜜—↓↓—糖蜜玉米浆—二级种子罐连消器—玉米浆纯生物素—↓↓—纯生物素实消维持罐↓↓斜面→一级种子降温换热器↓↓—消泡剂液氮→二级种培养发酵罐←—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5~10，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V13122.8%110%7.99%90%562201000mV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G1以纯糖算，)(180922011kgVG4.2.3二级种液量V2312822.0%10mVV4.2.4二级种子培养液所需水解糖量G232255.2025mVG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：kgGGG55.182921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：kg7.1978%111%89%5855.1829淀粉G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V3kgVV20885.323发酵培养基耗尿素为V4kgVV8.3284014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V5kgVV44.162025发酵培养基耗糖蜜量V6kgVV66.24316合计耗糖蜜41.1kg4.2.9氯化钾耗量GKClkgVGKCl864.92.114.2.10磷酸氢二钾（K2HPO4）耗量G3kgVG822.01134.2.11硫酸镁（MgSO4·7H2O）用量G4kgVVG62.34.02144.2.12消泡剂（泡敌）耗用量G5kgVVG54.33.04.02154.2.13磷酸氢二钠耗用量G6kgVG15.136.1164.1.14谷氨酸（麸酸）量发酵液谷氨酸含量为：kgG1010%3.01%561实际生产的谷氨酸（提取率90%）为：kg909%9010104.2.15玉米浆用量66.24102217VVG4.330000t/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）8.22246.6310822二级种液（m3）0.82231066.2482.2发酵水解用糖（kg）180961027.543109.180二级种培养用糖（kg）20.553105.6162055水解糖总量（kg）1829.5561089.543100.183淀粉(kg)1978.761036.593109.197尿素（或液氨）331.6861095.93102.33糖蜜（kg）41.1310123331011.4氯化钾（kg）9.873101.296987磷酸氢二钾（kg）0.82231066.2482.2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：200m3，1Cr18Ni9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，使发酵罐在0.15Mpa（表压）下，由20℃升至127℃。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=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1.6225.1.3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201m2，耗用蒸汽量：D损==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：1632×1.5=2448（kg/罐）每日用蒸汽量：2448×3=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100t，谷氨酸的发酵周期为48h(包括硫酸镁（kg）3.623106.108362泡敌（kg）3.543102.106354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100t，每吨100%的谷氨酸需糖液8.22m3则每天需糖液体积为V：3m797.34%9700122.8糖V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V0（发酵周期为48h）。30m106375.07.3497/φ糖VV5.3.3发酵罐个数的确定：公称体积为200m3的发酵罐，总体积为230m3个τ总52.92475.023034.79724V01VN取公称体积200m3发酵罐11个，其中一个留作备用。实际产量验算：at/7.32451300%9722.8575.0230富裕量%2.830000300007.32451能满足产量要求5.4主要尺寸的计算：取高径比H：D=2：1；封筒全3230m2VVV则有：2302242785.032DDDVπ全H=2D；解方程得：23026.057.133DDmD004.583.12303取D=5mH=2D=10m；封头高：mmhhHba1300封封头容积：V封=16.4（m3）圆柱部分容积：V筒=197m3验算全容积V全：3m8.2294.1621972封筒‘全VVVV全=V’全符合设计要求，可行。5.5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：2121mttlntttΔΔΔΔΔ32℃32℃20℃27℃125代入℃Δ8512ln512tm对公称容量200m3的发酵罐，每天装5罐