味精发酵罐课程设计(共16页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上专 业 课 程 设 计 课程名称 生物技术专业课程设计 题目名称 年产6000t味精发酵罐设计学生学院 化学与生命科学学院 专业班级 生物专08-1班 学 号 学生姓名 吴诗平 指导教师 马 超 2010 年 12 月 31 日广东石油化工学院大学课程设计任务书 年产6000吨味精发酵罐设计DESIGN AND CHOICE OF 6000t MONOSODIUM GLUTAMATE FERMENTOR ABSTRACT1、中英文摘要味精是烹饪中常用的一种鲜味调味品，主要以发酵法生产。本论文以年产6000吨为规模，针对味精发酵生产过程中最主要的设备发酵罐进行了模拟设计和选型。本论文进行工艺计算、主要设备工作部件（如罐体、罐体壁厚、封头壁厚计算、搅拌器、仪表接口、人孔和视镜、管道接口等）尺寸的设计。【abstract】(英文摘要) Monosodium glutamate is cooking a common freshness condiment, mainly fermentation production. This thesis with annual output of 6,000 tons for scale, aiming at the monosodium glutamate fermentation process of the main equipment fermentation tank simulated in the design and selection. This thesis process calculation, the main equipment working parts (such as tanks, vessel wall thickness, sealing head wall thickness calculation, mixer, instrument interface, manhole and as a mirror, pipeline interfaces, etc.) design.of size【关键词】：味精 发酵罐 设计 选型【key words】：Fermentor Monosodium glutamate Design Choice 2、目录3、前言我设计的是一台30M3的机械搅拌通风发酵罐,发酵生产谷氨酸，进而生产味精。味精是人们熟悉的鲜味剂，是L谷氨酸单钠盐1(Mono sodium glutamate)的一水化合物(HOOC-CH2CH(NH2)-COONaH20)，具有旋光性，有D型和L型两种光学异构体。味精具有很强的鲜味(阈值为0. 03%)，现已成为人们普遍采用的鲜味剂，其消费量在国内外均呈上升趋势。1987年3月，联合国粮农组织和世界卫生组织食品添加剂专家联合委员会第十九次会议，宣布取消对味精的食用限量，再次确认为一种安全可靠的食品添加剂2。早期味精是由酸法水解蛋白质进行制造的，自从1956年日本协和发酵公司用发酵法生产以后，发酵法生产迅速发展，目前世界各国均以此法进行生产。4、发酵生产工艺及流程（发酵菌株、生产条件、原料、工艺流程等）4.1味精生产工艺4.1.1 发酵菌株3现有谷氨酸生产菌分属于棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属。目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。目前国内各味精厂所使用的谷氨酸生产菌主要有（1）纯齿棒状杆菌AS1.542及其诱变株B9、B9-17-36、F-263等菌株；（2）天津短杆菌T613、及其诱变株FM-415、CMTC6282、S9114等菌株；（3）北京棒杆菌AS1.229及其诱变株D110等菌株。4.1.2 生产原料谷氨酸生产时发酵原料的选择原则4：首先考虑菌体生长繁殖的营养；考虑到有利于谷氨酸的大量积累；还要考虑原料丰富，价格便宜；发酵周期短，产品易提取等因素。目前谷氨酸生产上多采用尿素为氮源，采用分批流加，以生物素为生长因子。国内大多数厂家用淀粉为发酵原料，主要有玉米、小麦、甘薯、大米等，其中甘薯的淀粉最为常用。少数厂家用糖蜜为发酵原料，主要有甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。4.1.3 培养基制备5斜面培养基：葡萄糖0.1%、牛肉膏0.5%、蛋白胨1.0%、氯化钠0.5%、琼脂2.0%、PH7.07.2。 一级种子培养基：葡萄糖2.5%、尿素0.6%、KH2PO4 0.1%、MgSO47H2O 0.04%、玉米浆2.33.0ml、pH7.0。二级种子培养基：水解糖1214%、尿素0.50.8%、玉米浆0.50.6ml、KH2PO4 0.10.2%、MgSO47H2O 0.04%、pH7.0。发酵培养基：水解糖1214、尿素0.50.8%、玉米浆0.6ml、MgSO47H2O 0.06%、KCl 0.05%、Na2HPO4 0.17%、pH7.0。4.1.4 味精发酵生产影响条件（1）氧，谷氨酸产生菌是好氧菌，通风和搅拌不仅会影响菌种对氮源和碳源的利用率，而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在发酵后期，加大通气量有利于谷氨酸的合成。（2）温度，菌种生长的最适温度为3032。当菌体生长到稳定期，适当提高温度有利于产酸，因此，在发酵后期，可将温度提高到3437。（3）pH，谷氨酸产生菌发酵的最适pH在7.08.0。但在发酵过程中，随着营养物质的利用，代谢产物的积累，培养液的pH会不断变化。如随着氮源的利用，放出氨，pH会上升；当糖被利用生成有机酸时，pH会下降。（4）磷酸盐，它是谷氨酸发酵过程中必需的，但浓度不能过高，否则会转向缬氨酸发酵。发酵结束后，常用离子交换树脂法等进行提取。（5）生物素，当生物素缺乏时，菌种生长十分缓慢；当生物素过量时，则转为乳酸发酵。因此，一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产量的谷氨酸。4.1.5 味精生产工艺概述6味精生产全过程可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。与这四个工艺阶段相对应味精生产厂家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，通过供水管路输送到各个生产需求部位。味精发酵法生产的总工艺流程如图： 味精发酵法生产的总工艺流程见图1。水解过滤淀粉水解糖配料种子罐扩大培养原料预处理原料空气空气压缩机冷却气液分离过滤除菌斜面培养摇瓶扩大培养菌种预处理浓缩结晶离心小结晶干燥拌盐粉碎粉状味精大结晶干燥过滤成品味精过滤脱色除铁中和制味精 沉淀粗谷氨酸中和制味精 沉淀粗谷氨酸除铁过滤淀粉水解糖配料种子罐扩大培养过滤淀粉水解糖配料种子罐扩大培养除铁过滤种子罐扩大培养脱色发酵等电点调节离心溶解中和制味精 沉淀粗谷氨酸沉淀粗谷氨酸母液粗谷氨酸粗谷氨酸 离子交换处理沉淀粗谷氨酸溶液中和制味精 图1 味精生产总工艺流程图5、发酵罐主要设计条件（发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果）5、罐体几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸的设计计算5.1发酵罐主要设计条件及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。表5-1发酵罐主要设计条件项目及代号参数及结果备注发酵产品味精工作压力0.4MPa由任务书确定设计压力0.4MPa由任务书确定发酵温度（工作温度）33根据任务书选取设计温度150由工艺条件确定冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定发酵液密度由工艺条件确定发酵液黏度由工艺条件确定本文设计现每天生产99%纯度的味精25t，谷氨酸的发酵周期7为72h(包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间)。则每天需糖液体积为V糖 。每天产纯度为99%的味精50t，每吨100%的味精需需糖液15.66m3。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5-2所示。表5-2 主要技术指标指标名称单位指标数生产规模t/a6000(味精)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/d25t产品质量纯度99%5.2罐体选型、几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸、生产能力的设计计算5.2.1发酵罐的选型选用机械搅拌通风发酵罐。5.2.2 发酵罐生产能力、数量和容积的确定5.2.2.1发酵罐容积的确定：根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=2.5，则H=2.5D初步选用公称容积为30m3的发酵罐。公称体积 V罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和全 体 积V0公称体积和上封头体积之和。封头体积 （近似公式）假设，根据设计条件发酵罐的公称体积为30M3罐体直径D=2600.mm罐体总高度H=2.5D=2.5×2600.mm=6502.mm取整为6500mm查阅文献 ，当公称直径DN=2600mm时，标准椭圆封头的曲面高度ha=650，直边高度hb=50mm，总深度为Hf=700mm，内表面积，容积Vf=2.57m3可得罐筒身高H0=H-2Hf=6500-2×700mm=5100mm则此时H0/D=5100/2600=1.，与前面的假设相近，故可认为D=2600mm是合适的发酵罐的全体积V=搅拌叶直径取，其中符合搅拌叶间距底搅拌叶至底封头高度表5-3 30m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积30设计条件全体积32计算罐体直径2600计算发酵罐总高6500计算发酵罐筒体高度5100计算搅拌叶直径850计算椭圆封头短半轴长650计算椭圆封头直边高度50计算底搅拌叶至封头高度850计算搅拌叶间距1700计算5.2.2.2生产能力的计算：每天需糖液体积V糖为： 若取发酵罐的填充系数j=70%，则每天需要发酵罐总容积V0为：5.2.2.3 发酵罐个数的确定：公称容积为30m3的发酵罐，其全容积为32.6m3。每日需要的发酵罐数N0为：共需要的发酵罐数N1为：每天应有16个发酵罐出料，共需要51个发酵罐。5.2.2.4实际产量验算：设备富余量为：能满足生产要求。5.2.3 罐体主要部件尺寸的设计计算5.2.3.1 罐体考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式。因糖化酶是偏酸性（pH值为4.5），对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆封头，因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。5.2.3.2 罐体壁厚，取6mmD罐体直径（mm）p耐受压强 (取0.4MPa) 焊缝系数，双面焊取0.8 设计温度下的许用应力（kgf/c）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa）C 腐蚀裕度，当 C<10mm时，C3mm5.2.3.3 封头壁厚计算，取14mm。D罐体直径（mm） p耐受压强 (取0.4MPa)y开孔系数，取2.3 焊缝系数，双面焊取0.8 设计温度下的许用应力（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa）5.2.3.4 搅拌器8图5-2-3-4六平叶圆盘涡轮搅拌器采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，根据d确定h和b的值尺寸：六平叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大；查阅文献9可知发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶叶径，则可以计算出盘径，叶高叶长5.2.3. 5 仪表接口温度计：装配式热电阻温度传感器Pt100型，开在罐身上；压力表：弹簧管压力表（径向型），精度2.5，型号：，开在封头上；液位计：采用标准： 型号： ，开在罐身上；溶氧探头：；pH探头：型；5.2.3.6挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。5.2.3.7 人孔和视镜10人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。本次设计只设置了1个人孔，标准号为： 人孔RF（R·G）450-0.6 HG21522-1995，公称直径450，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴750mm处视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了2视镜，直径为DN80，开在顶封头上，位于前后轴线离中心轴750mm处，标记为视镜 PN1.0 DN80 HGJ501-86-175.2.3.8管道接口 （采用法兰接口）进料口：直径，开在封头上，排料口：，开在罐底；进气口：，开在封头上；排气口：，开在封头上；冷却水进、出口：，开在罐身；补料口：，开在封头上；取样口：，开在封头上；5.2.3.9 其他接管设计5.2.3.9.1 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。5.2.3.9.2 接管直径的确定按排料管计算：该罐实醪料量24.45m3，设1h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物管径9：取无缝管108×7.5mm，108mm93mm，认为合适。5.2.3.9.3 气管直径的确定按通风管计算，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20，0.1MPa下的情况，要折算0.4MPa、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=20m/s，则风管截面积Ff为则气管直径d气为：取45×4.5mm无缝管，45mm36mm,可满足工艺要求。5.2.3.9.4 排料时间复核物料流量Q=0.0068m3/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：6、冷却装置设计6.1 冷却方式发酵罐容量大，罐体的比表面积小。夹套不能满足冷却要求，使用蛇管冷却，综合比较列管的冷却效果好，在使用水作冷却介质时，选用列管。6.2 装液量设计发酵罐装料系数：取75%发酵罐装料液体积：不计算下封头时的装液体积：装液高度：6.3冷却水耗量由实际情况选用进出口水温为 、，则Q单位时间传热量Cp冷却水的平均比热，取4.186 kJ/ (kg · ) t2-t1冷却水进出口温度差 对数平均温度差 ，由工艺条件知道=， t1冷却水进口温度t2冷却水出口温度 发酵温度 6.4 冷却面积的确定根据部分味精厂的实测和经验数，谷氨酸放得发酵热高峰值约4.18×6000kJ/(m3·h)，则冷却面积按传热方程式计算如下：式中 S冷却面积，m2 Q换热量，kJ/h Dtm平均温度差， K总传热系数，kJ/(m2·h·)设发酵液温度32，冷却水进口温度20，出口温度27，则平均温度差Dtm为：K值取4.18×500kJ/(m2·h·)7、发酵罐设计总结及心得体会搅拌通风发酵罐的设计需要综合各种参数，是有计划、有目的，由所需设计的发酵罐的体积，一步一步计算而来。需要根据要求设计的年产量及罐的容积填充系数，发酵周期计算所需罐数。我们通过查阅机械搅拌通风发酵罐的有关资料，熟悉基本工作原理和特点，进行工艺计算、主要设备工作部件（如罐体、罐体壁厚、封头壁厚计算、搅拌器、仪表接口、人孔和视镜、管道接口等）尺寸的设计。为了我们的设计能满足工艺要求，我们都经过多次反复计算及资料核查。尽管如此，由于本人知识有限，实践经验尚缺，时间限制，我想本设计中仍会不可避免地出一些问题，限于所学知识及实践能力的缺乏，或许我现在还无法觉察，愿意接受老师的批评与指正。很高兴能尽自己的微薄之力，完成这次设计，不仅学习了一点设备设计方面的知识，还深刻感受到任何一个投入到生产中的设备的设计只靠所学的一点设计知识是远远不够的，我不仅需要扩展自己的视野，填充专业知识，还要好好利用学校组织的实践教学，尽量弥补实践方面的不足。从此也深感“讨论”的重要性。本设计在可爱的马超老师的精心设计下和各个同学们的互相探讨和帮助下完成的，特此感谢！参考文献及资料1张克旭主编;氨基酸发酵工艺学 中国轻工业出版社2郑芸岭：世界味精市场及安全性综述J3发酵科技通讯 中国轻工业出版社4张克旭.氨基酸发酵工艺学,中国轻工业出版社,1992:279-280. 5周德庆;微生物学 高等教育出版社6于信令主编;味精工业手册 中国轻工业出版社7吴思方发酵工厂工艺设计概论，中国轻工业出版，1995。8陈乙崇等;搅拌设备设计1988年11月9材料与零部件上中下册 上海人民出版社10陈敏恒主编;化工原理 化学工业出版社专心-专注-专业