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1、年产年产 3 万吨谷氨酸发酵罐的设计万吨谷氨酸发酵罐的设计目录目录前言前言 第一章第一章年产年产 3 万吨谷氨酸的发酵罐万吨谷氨酸的发酵罐2.1 生产规模及计算2.2 通用发酵罐的系列尺寸2.3 发酵罐主要设计条件2.4 发酵罐的型式2.5 发酵罐的用途2.6 冷却水及冷却装置2.7 设计压力罐内 0.4MPa；夹套 0.25 MPa 第二章第二章谷氨酸生产工艺流程谷氨酸生产工艺流程3.1 谷氨酸发酵工艺技术参数3.2 谷氨酸生产原料及处理3.3 谷氨酸生产工艺流程图 第三章第三章工艺计算工艺计算4.1 主要工艺技术参数4.2 总物料衡算 第四章第四章发酵罐选型及工艺计算发酵罐选型及工艺计算
2、5.1 发酵罐空罐灭菌蒸汽用量计算5.1.1 发酵罐体加热用蒸汽量5.1.2 填充发酵罐空间所需蒸汽量5.1.3 灭菌过程的热损失5.1.4 灌壁附着洗涤水升温所需蒸汽量5.2 发酵罐的设计与选型5.2.1 发酵罐的选型5.2.2 生产能力，数量和容积的确定5.2.3 主要尺寸的计算5.2.4 冷却面积的确定5.2.5 搅拌器的设计 5.2.6 搅拌器功率的确定 5.2.7 设备结构的工艺设计 5.2.8 竖直蛇管冷却装置设计 5.2.9 设备材料的选择 5.2.10 发酵罐厚壁计算 5.2.11 接管设计 第六章第六章 发酵罐设计图发酵罐设计图第一章第一章 前言前言 谷氨酸是一种氨基酸, 其
3、用途非常广泛,可用于食品、医学 、化妆品等。谷氨酸生产， 始于 1910 年日本的味之素公司用水解法生产谷氨酸。1956 年日本协和发酵公司分离得到 谷氨酸棒杆菌，使发酵法生产谷氨酸成为可能，由于发酵法生产氨基酸具有生产能力大、 成本低、设备利用率高等特点，使氨基酸工业得到突飞猛进的发展1。我国 1958 年开始 研究，1965 年在上海天厨味精厂投产。目前我国谷氨酸的年产量已达 170 万吨，产销量占 世界第一位2。经过几十年的发展，在该行业诸多工程人员的努力研究下，使我国谷氨酸 生产四大收率指标（糖化收率、发酵糖酸转化率和产酸率、提取收率、精制收率）均达到 历史最好水平。其质量已达国际领先
4、水平。但是，在谷氨酸生产中仍然存在原料利用率低， 生产成本高，自动化控制水平低，环境污染日趋严重等问题。因此，目前对谷氨酸行业的 研究方向主要集中在提高自动化生产程度，改进生产工艺，处理三废，解决环境污染等方 面。第二章第二章 年产年产 3 万吨谷氨酸的发酵罐万吨谷氨酸的发酵罐 2.1 生产规模及计算生产规模及计算 2.1.1 生产规模生产规模：年产 3 万吨谷氨酸 2.1.2 生产规格生产规格：纯谷氨酸 2.1.3 生产制度生产制度：全年生产日 320 天；23 班作业，连续生产。 2.1.4 生产能力生产能力 日产量：30000t320d=93.75td 发酵周期：48h(包括发酵罐清洗、
5、灭菌、进出物料等辅助操作时间) 发酵罐个数： 需要 200 m3 发酵罐 25 个2.22.2 通用发酵罐的系列尺寸通用发酵罐的系列尺寸表表-通用发酵罐的系列尺寸通用发酵罐的系列尺寸公称容积罐内径圆柱高封头高罐体总高封头容积圆柱部分容积50L320mm640mm105mm850mm6.3L52L100L400mm800mm125mm1050mm11.5L100L200L500mm1000mm150mm1300mm21.3L197L500L700mm1400mm200mm1800mm54.5L540L1.0m3900mm1800mm250mm2300mm0.112m31.14m35.0m3150
6、0mm3000mm400mm3800mm0.487m35.3m310m31800mm3600mm475mm4550mm0.826m39.15m320m32300mm4600mm615mm5830mm1.76m319.1m350m33100mm6200mm815mm7830mm4.2m346.8m3100m34000mm8000mm1040mm10080mm9.02m3100m3200m35000mm10000mm1300mm12600mm16.4m3197m3不计上封头的容积全容积搅拌桨直径搅拌转数电动机功率搅拌轴直径冷却方式58.3L64.6L112mm470r/min0.4kW25mm夹套
7、112L123L135mm400r/min0.4kW25mm夹套218L239L168mm360r/min0.6kW25mm夹套595L649L245mm265r/min1.1kW35mm夹套1.25m31.36m3315mm220r/min1.5kW35mm夹套5.79m36.27m3525mm160r/min5.5kW50mm夹套9.98m310.8m3630mm145r/min13kW65mm夹套20.86m322.6m3770mm125r/min23kW80mm列管51m355.2m31050mm110r/min55kW110mm列管109m3118m31350mm列管213m3230
8、m31700mm列管2.32.3 发酵罐主要设计条件发酵罐主要设计条件表表- -发酵罐主要设计条件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谷氨酸工作压力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列管冷却由工艺条件确定发酵液密度3/1080mKg由工艺条件确定发酵液黏度23/100 . 2msN 由工艺条件确定根据常识，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
9、、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2.4 发酵罐的型式发酵罐的型式机械搅拌通风发酵罐高径比：H/D=1.7-4.0搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4搅拌器直径：Di=D/3搅拌器间距：S=（0.95-1.05）D最下一组搅拌器与罐底的距离：C=（0.8-1.0）D挡板宽度：B=0.1D，当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板2.5 发酵罐的用途发酵罐的用途用于谷氨酸生产的各级种子罐或发酵罐，有关设计参数如下：装料系数：种子罐 0.5
10、0-0.65发酵罐 0.65-0.8发酵液物性参数：密度 1080kg/m3粘度 2.010-3N.s/m2导热系数 0.621W/m.比热 4.174kJ/kg.高峰期发酵热 3-3.5104kJ/h.m3溶氧系数：种子罐 5-710-6molO2/ml.min.atm发酵罐 6-910-6molO2/ml.min.atm标准空气通风量：种子罐 0.4-0.6vvm发酵罐 0.2-0.4vvm2.6 冷却水及冷却装置冷却水及冷却装置冷却水：地下水 18-20冷却水出口温度：23-26发酵温度：32-33冷却装置：种子罐用夹套式冷却，发酵罐用列管冷却。2.7 设计压力罐内设计压力罐内 0.4M
11、Pa0.4MPa；夹套；夹套 0.250.25 MPaMPa发酵罐主要由罐体和冷却列管，以及搅拌装置，传动装置,轴封装置，人孔 和其它的一些附件组成。这次设计就是要对 25M3通风发酵罐的几何尺寸进行计 算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、罐体和封头 的壁厚；根据发酵微生物产生的发酵热、发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷 却装置的设计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置， 和人孔等一些附件的确定,完成整个装备图，完成这次设计第三章第三章 谷氨酸生产工艺流程谷氨酸生产工艺流程3.1 谷氨酸发酵工艺技术参数谷氨酸发酵工艺技术参数表表-主要工艺技术参数主要工艺
12、技术参数指标序号生产工序参数名称淀粉质原料糖蜜原料1制糖（双酶法）淀粉糖化转化率%982发酵产酸率 g/dl8.08.03发酵糖酸转化率%50554谷氨酸提取提取收率%86803.2 谷氨酸生产原料及处理谷氨酸生产原料及处理表表-原料及动力单耗表原料及动力单耗表单耗(t/t)序号物料名称规格淀粉原料大米原料糖蜜原料1玉米淀粉含淀粉 86%2.122大米含淀粉 70%3.03糖蜜含糖 50%3.974硫酸98%0.450.450.455液氨99%0.350.350.356纯碱98%0.340.340.347活性炭0.030.020.108水3093093099电2000Kwh/t2000Kwh/
13、t2000Kwh/t10蒸汽11.411.411.4 谷氨酸发酵的主要原料有淀粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、乙醇、正烷烃(液体石蜡)等。 国内多数谷氨酸生产厂家是以淀粉为原料生产谷氨酸的，少数厂家是以糖蜜为原料进行谷 氨酸生产的，这些原料在使用前一般需进行预处理。(一)糖蜜的预处理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
14、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。(二)淀粉的糖化绝大多数的谷氨酸生产菌都不能直接利用淀粉，因此，以淀粉为原料进行谷氨酸生产 时，必须将淀粉质原料水解成葡萄糖后
15、才能供使用。可用来制成淀粉水解糖的原料很多， 主要有薯类、玉米、小麦、大米等，我国主要以甘薯淀粉或大米制备水解糖。淀粉水解的方法有三种： 1酸解法 用酸解法生产水解糖，其工艺流程如下： 原料(淀粉、水、盐酸)调浆糖化冷却中和脱色过滤除杂糖液(1)调浆 原料淀粉加水调成 1011Be的淀粉乳，用盐酸调 pHl.5 左右，盐酸用量(以 纯盐酸计)约为干淀粉的 0.50.8。(2)糖化 首先要在水解锅内加部分水，加水后将水解锅预热至 100105,(蒸汽压力为 0102MPa)随后用泵将淀粉乳送至水解锅内迅速升温，在表压为 0.250.4MPa 之间 保压，一般水解时间控制在 1020min，即可将
16、淀粉转化成还原糖。(3)冷却 中和温度过高易形成焦糖，脱色效果差；温度低，糖液黏度大，过滤困难。 因此，生产上一般将糖化液冷却到 80以下。(4)中和 淀粉水解完毕，酸解液 pH 仅为 15 左右，需用碱中和后才能用于发酵。中 和的终点 pH 一般控制在 4.55.0 左右，以便使蛋白质等胶体物质沉淀析出。(5)脱色 酸解液中尚存在着一些色素和杂质需通过脱色除去。脱色可采用活性炭吸附， 活性炭是经过特殊处理的木炭，为黑色无定形粉末，不溶于任何溶剂，质松多孔，表面积 很大，具有很大的吸附能力。它将具有脱色与助滤两方面作用。(6)过滤除杂 经中和脱色的糖化液要充分沉淀 12h，待液温降到 4550，用泵打 人过滤器除杂质，过滤后的糖液送贮糖桶贮存，到此为止，淀粉糖化过程全部结束，制成 的糖化液供发酵使用。 2酶解法 先用 -淀粉酶将淀粉水解成糊精和低聚糖，然
