味精是人們熟悉的鮮味劑，是L—谷氨酸單鈉鹽(Mono sodium glutamate)的一水化合物(HOOC-CH2CH(NH2)-COONa·H20)，具有旋光性，有D—型和L—型兩種光學異構體。味精具有很強的鮮味(閾值為0. 03%)，現已成為人們普遍采用的鮮味劑，其消費量在國內外均呈上升趨勢。1987年3月，聯合國糧農組織和世界衛生組織食品添加劑專家聯合委員會第十九次會議，宣布取消對味精的食用限量，再次確認為一種安全可靠的食品添加劑［1］。早期味精是由酸法水解蛋白質進行制造的，自從1956年日本協和發酵公司用發酵法生產以后，發酵法生產迅速發展，目前世界各國均以此法進行生產。

谷氨酸發酵是通氣發酵，也是我國目前通氣發酵產業中，生產廠家最多、產品產量最大的產業［2］。該生產工藝和設備具有很強的典型性，本文對味精發酵生產工藝及主要設備作簡要介紹，以期有助于了解通氣發酵工藝和主要設備的有關知識。

設計內容為，了解味精生產中的原料預處理、發酵、提取部分的生產方法和生產流程，根據實際情況來選擇發酵工段合適的生產流程，并對流程中的原料進行物料衡算、熱量衡算及設備的選擇。最后，畫出發酵工段的工藝流程圖和平面布置圖。

整個設計內容大體分成三部分，第一部分主要是味精生產的工藝和設備選擇；第二部分包括發酵罐、種子罐及空氣分過濾器的設計與選型；第三部分是工藝流程和平面布置圖。

關鍵詞：味精發酵；工藝計算；設備選型；CAD

一 前言

味精是人們熟悉的鮮味劑，是L—谷氨酸單鈉鹽(Mono sodium glutamate)的一水化合物(HOOC-CH2CH(NH2)-COONa?H20)，具有旋光性，有D—型和L—型兩種光學異構體。味精具有很強的鮮味(閾值為0. 03%)，現已成為人們普遍采用的鮮味劑，其消費量在國內外均呈上升趨勢。1987年3月，聯合國糧農組織和世界衛生組織食品添加劑專家聯合委員會第十九次會議，宣布取消對味精的食用限量，再次確認為一種安全可靠的食品添加劑。早期味精是由酸法水解蛋白質進行制造的，自從1956年日本協和發酵公司用發酵法生產以后，發酵法生產迅速發展，目前世界各國均以此法進行生產。

谷氨酸發酵是通氣發酵，也是我國目前通氣發酵產業中，生產廠家最多、產品產量最大的產業。該生產工藝和設備具有很強的典型性，本文對味精發酵生產工藝及主要設備作簡要介紹，以期有助于了解通氣發酵工藝和主要設備的有關知識。

二 ?味精生產工藝

味精生產全過程可劃分為四個工藝階段:

(1)原料的預處理及淀粉水解糖的制備;

(2)種子擴大培養及谷氨酸發酵;

(3)谷氨酸的提取;

(4)谷氨酸制取味精及味精成品加工。

?與這四個工藝階段相對應味精生產廠家一般都設置了糖化車間、發酵車間、提取車間和精制車間作為主要生產車間。另外，為保障生產過程中對蒸汽的需求，同時還設置了動力車間，利用鍋爐燃燒產生蒸汽，并通過供氣管路輸送到各個生產需求部位。為保障全廠生產用水，還要設置供水站。所供的水經消毒、過濾系統處理，通過供水管路輸送到各個生產需求部位。

圖1 味精生產總工藝流程圖

此工藝操作的目的在于初步破壞原料結構，以便提高原料的利用率，同時去除固體雜質，防止機器磨損。用于除雜的設備為篩選機，常用的是振動篩和轉筒篩，其中振動篩結構較為簡單，使用方便。

用于原料粉碎的設備除盤磨機外，還有錘式粉碎機和輥式粉碎機。盤磨機廣泛用于磨碎大米、玉米、豆類等物料，而錘式粉碎機應用于薯干等脆性原料的中碎和細碎作用，輥式粉碎機主要用于粒狀物料的中碎和細碎。

2.2.2 ?淀粉水解糖制備

在工業生產上將淀粉水解為葡萄糖的過程稱為淀粉的糖化，所制得的糖液稱為淀粉水解糖。由于谷氨酸生產菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必須將淀粉水解為葡萄糖，才能供發酵使用。目前，國內許多味精廠采用雙酶法制糖工藝。

種子擴大培養為保證谷氨酸發酵過程所需的大量種子，發酵車間內設置有種子站，完成生產菌種的擴大培養任務。從試管斜面出發，經活化培養，搖瓶培養，擴大至一級乃至二級種子罐培養，最終向發酵罐提供足夠數量的健壯的生產種子。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

谷氨酸發酵開始前，首先必須配制發酵培養基，并對其作高溫短時滅菌處理。用于滅菌的工藝除采用連消塔—維持罐一噴淋冷卻系統外，還可采用噴射加熱器—維持管—真空冷卻系統或薄板換熱器滅菌系統。但由于糖液粘度較大，流動性差，容易將維持管堵塞，同時真空冷卻器及薄板加熱器的加工制造成本較高，因而應用較少。

發酵設備，國內味精廠大多采用機械攪拌通風通用式發酵罐，罐體大小在50m3到200m3之間。對于發酵過程采用人工控制，檢測儀表不能及時反映罐內參數變化，因而發酵進程表現出波動性，產酸率不穩定。

由于谷氨酸發酵為通風發酵過程，需供給無菌空氣，所以發酵車間還有一套空氣過濾除菌及供給系統。首先由高空采氣塔采集高空潔凈空氣，經空氣壓縮機壓縮后導入冷凝器、油水分離器兩級處理，再送入貯氣罐，進而經焦炭、瓷環填充的主過濾器和纖維分過濾器除菌后，送至發酵罐使用。在北方地區由于空氣濕度小、溫度低，還可采用空氣壓縮、冷卻過濾流程，省去一級冷卻設備。

谷氨酸的提取一般采用等電點—離子交換法，國內有些味精廠還采用等電點—鋅鹽法、鹽酸水解—等電點法及離子交換膜電滲析法提取谷氨酸。但存在廢水污染大，生產成本高，技術難度大等問題，應用上受到限制 。

精制車間加工的谷氨酸產品為谷氨酸單鈉，即味精。粗品經提純、加工、包裝，得到成品。

味精中和液的脫色過程，除使用碳柱外，還可使用離子交換柱，利用離子交換樹脂的吸附色素。味精的干燥過程，國內許多廠家還采用箱式烘房干燥，設備簡單，投資低，但操作條件差，生產效率低，不適應大規模生產的要求。也有的廠家使用氣流干燥技術，生產量大，干燥速度快，干燥時間短，但干燥過程對味精光澤和外形有影響，同時廠房建筑要求較高，這樣均不如振動式干燥床應用效果好。

三 工藝計算

（1）查《生物工程工程設計概論》P70表4-8谷氨酸發酵工藝技術指標，選用主要指標如表1

表1 谷氨酸發酵工藝技術指標

（2）主要原材料質量指標 ?淀粉原料的淀粉含量為85%，含水13%。?

? （3）二級種子培養基（g/L） 水解糖50，糖蜜20，磷酸氫二鉀1.0，硫酸鎂0.6，玉米漿5~10，泡敵0.6，生物素0.02mg，硫酸鎂2mg，硫 ? 硫酸亞鐵2mg/L。?

（4）發酵培養基（g/L） 水解糖150，糖蜜4，硫酸鎂0.6，氯化鉀0.8，磷酸 0.2，泡敵0.6。

（5）接種量為8% 。

首先計算生產1000kg純度為100%的味精需耗用的原輔材料及其他物料量。

（1）發酵液量

式中 ? 220——發酵培養基終糖濃度（kg/m3）

? ? ? ? ? ? ?60%——糖酸轉化率

? ? ? ? ? ?93%——谷氨酸提取率

? ? ? ? ? ?99.8%——除去倒灌率0.2%后的發酵成功率

? ? ? ? ? ?122%——味精對谷氨酸的精制產率

（2）發酵液配制需水解糖量G1

以純糖算， ? ? ? ?

（3）二級種液量 V2

（4）二級種子培養液所需水解糖量 G2

式中 ?50——二級種液含糖量（kg/m3）

（5）生產1000kg味精需水解糖總量G為：?

（6）耗用淀粉原料量 ?

? ? 理論上，100kg淀粉轉化生成葡萄糖量為111kg，故理論上耗用的淀粉量G淀粉為：

式中 ? 80%——淀粉原料含純淀粉量

? ? ? ? ? ?95%——淀粉糖轉化率

（7）甘蔗糖蜜耗用量 ?

二級種液耗用糖蜜量V5

發酵培養基耗糖蜜量V6

合計耗糖蜜37.46kg

（8）氯化鉀耗量GKCl

（9）磷酸耗量G3 ?

（10）硫酸鎂（MgSO4·7H2O）用量G4??

（11）消泡劑（泡敵）耗用量G5??

（12）谷氨酸（麩酸）量 ?

發酵液谷氨酸含量為：

實際生產的谷氨酸（提取率80%）為：

? ? ??

由上述生產1000kg味精（100%純度）的物料衡算結果，可求得100000t/a味精廠發酵車間的物料平衡計算。

具體計算結果如下表

3.3發酵過程中的熱量衡算

3.3.1發酵熱的計算

?(KJ/h)

式中, Qb為生物合成熱, 每1m3醪液在發酵最旺盛時，1h的發熱量與醪液總體積的乘積,即:

Qb=4.18×6000×2091=5.244×107(KJ/h)

而機械攪拌產生的熱量Qst為:

Qst?= 3600ηPst ? ? ?(KJ/h)

式中, η---攪拌功熱轉換系數, 為0.92

? ? ? ? ? ? ? ?Pst?---攪拌軸功率,為304.5kw

? ? ? ? 即計算得:

? ? ? ? ?而Qe為排氣使發酵液水分汽化帶出的熱焓,根據經驗,可取:

Qe=0.2Qb=1.05×107(KJ/h)

故發酵熱為:

Q=Qb+Qst－Qe=5.244×107＋1008504－1.05×107=4.294×107(KJ/h)

由培養液板式換熱器滅菌流程可知，120℃的熱料先通過與生料進行交換，降溫至80℃后，再用冷卻水冷卻至35℃。在此過程中冷卻水由20℃升溫至45℃，由此計算出冷卻水的用量：

式中：4.186為水的平均比熱，

全天冷卻水用量為

根據100 000 t/a味精廠發酵工藝技術指標及物料平衡計算結果，列出與空氣消耗有關的基本數據有：

每天生產312.5t味精的發酵液量為2.091×103?m3；

種液：1.67×102?m3；

發酵時間：32h；

發酵周期（含清洗、滅菌等）：40h；

發酵罐公稱容積：500 m3（9個）；

發酵罐裝罐系數：85％。

發酵車間無菌空氣消耗量主要用于谷氨酸發酵過程通風供氧，其次為種子培養的通氣以及培養基壓料輸送也需要壓縮空氣。此外，因設備和管路、管件等的消毒吹干以及其他損耗構成無菌空氣的耗用量。

1、單罐發酵無菌空氣耗用量

根據資料可知，500m3規模的通氣攪拌發酵罐的通氣速率為0.18～0.35vvm，取最高值0.35 vvm進行計算。

（1）單罐發酵過程用氣量（常壓空氣）

? ? ? ? ? ? ?V＝550×85%×0.35×60＝9817.5（m3/h）

（2）單罐年用量

? ? ? ? ?Va＝V×32×180=5.65×107（m3）

式中 ?180――每年單罐發酵批次

?2、種子培養等其他無菌空氣耗量

可根據接種量、通氣速率、培養時間等進行計算。單通常的設計習慣，是把種子培養用氣、培養基壓送及管路損失等算作一次，一般取這些無菌空氣消耗量之和約等于發酵過程空氣耗量的20％。故這項無菌空氣耗量為：

? ? ? ? ? ?V’＝20％V＝1963.5（m3/h）

單罐每年用氣量為：

? ? ? ??式中 8――種子罐培養時間

3、發酵過程高峰無菌空氣消耗量

式中：5――種子罐數

4、發酵車間無菌空氣消耗量

? ? ??

? ? ? ?5、根據設計，實際味精年生產量為：G=100 000 t/a

故發酵車間無菌空氣單耗量為：

根據上述計算結果，可得出100 000 t/a味精無菌空氣用量衡算表，如表所示。

?100 000 t/a味精無菌空氣用量衡算表

注：發酵罐裝料系數85％，發酵周期40h，年生產天數320d，實際生產能力2.563×105?t/a，公稱容積500 m3?，全容積550 m3。

四 ?設備設計與選型

（1）發酵罐的選型 ?

選用機械渦輪攪拌通風發酵罐

（2）生產能力、數量和容積的確定

?當前, 我國谷氨酸發酵占統治地位的發酵罐仍是機械渦輪攪拌,即大家所說的通用罐。選用這種發酵罐的原因主要是:歷史悠久,資料齊全, 在比擬放大方面積累了較豐富的成功經驗,成功率高。

（3）發酵罐容積的確定:

隨著科學技術的發展, 生產發酵罐的專業廠家越來越多, 現有的發酵罐容量系列如5, 10, 20, 50, 60, 75, 100, 200, 150, 250, 500m3等等。一般來說單罐容量越大, 經濟性能越好, 但風險也越大, 要求技術管理水平也越高?，F代發酵技術成熟，使得大型發酵罐使用越來越廣泛，且大型發酵罐效益好，考慮到這方面，我們決定用500m3的發酵罐。

生產能力的計算,每噸99%純度的味精需要V=1000 ÷（220×60%×93%×99.8%×122%）=6.69m3，生產100 000t/a 味精為 6.69×100000 = 6.69×105?m3

工作320天，每天需糖液體積：

若取發酵罐的填充系數φ=85%，則每天需要發酵罐總容量為：

? ? ?V0=V糖/85%=2459.559(m3)

先選用公稱體積500 m3的機械發酵罐，其全容量為550 m3。

那么每天需要550 m3發酵罐個數為：

共需要的發酵罐數為：

N1=V0×τ÷(V總×24)≈8(個)

每天應有5個發酵罐出料，每年工作320天，

實際產量檢驗算：550×85%×5×320÷6.69=111808（t）

設備富裕量為（111808-100000）÷100000 = 11.81%，能滿足生產要求。

取公稱體積500 m3 發酵罐9個，其中一個留作備用。

??

則有：

H=1.9D；

解方程得：

??

H=1.9D=12.9m；

封頭容積 ：

V封=3.1415×6.83÷24=41（m3）

圓柱部分容積：

V筒=0.785×6.82×12.9=468m3

驗算全容積V全：

V全=V’全

符合設計要求，可行。

對谷氨酸發酵，每1m3發酵液、每1h傳給冷卻器的最大熱量約為4.18×6000kJ/(m3·h)?[5]。

采用豎式蛇管換熱器，取經驗值K=4.18×500 kJ/(m3·h·℃)?[8]。

平均溫差Δtm： ? ? ? ??

? ? ? ? ??

32℃ ? ? ? ? ?32℃

20℃ ? ? ? ? ?27℃

12 ? ? ? ? ? ? 5

代入

換熱面積

4.1.5攪拌器及攪拌軸功率

（1）選用六彎葉渦輪攪拌器 ?

該攪拌器的各部分尺寸與罐徑D有一定比例關系

攪拌器葉徑

葉寬 ：

弧長：

底距：

盤踞 ：

葉弦長：

葉距 ：

彎葉板厚：

δ=14（mm）

取兩擋攪拌，攪拌轉速N2可根據50m3罐，攪拌直徑1.05m，轉速N1=110r/min。以等P0/V為基準[6]放大求得：

（2）攪拌軸功率

? ? 淀粉水解糖液低濃度細菌醪，可視為牛頓流體。

①計算Rem

式中 ? D——攪拌器直徑，D=2.27m

? ? ? ? ? ? N——攪拌器轉速，? ? ? ? ? ? ρ——醪液密度，ρ=1050 kg/m3

? ? ? ? ? ? μ——醪液粘度， μ=1.3×10-3N·s/m2? ?將數代入上式：

視為湍流，則攪拌功率準數Np=4.7

②計算不通氣時的攪拌軸功率P0：

式中 ? Np——在湍流攪拌狀態時其值為常數4.7

? ? ? ? ? ?N——攪拌轉速，N=65.79r/min=1.1r/s

? ? ? ? ? ?D——攪拌器直徑，D=2.27m

? ? ? ? ? ?ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3? 代入上式：

兩擋攪拌：

③計算通風時的軸功率Pg ?

式中 ? ?P0——不通風時攪拌軸功率（kW），N——軸轉速，N=65.79r/min

? ? ? ? ? ? D——攪拌器直徑（cm），D3=2.273×106=1.17×107

? ? ? ? ? ? Q——通風量（ml/min），設通風比VVm=0.11~0.18，取低限，如通風量變大，Pg會小，為安全?，F取0.11；

則Q=467.5×0.11×106=5.14×107（ml/min）

代入上式：

④求電機功率P電：

采用三角帶傳動η1=0.92；滾動軸承η2=0.99，滑動軸承η3=0.98；端面密封增加功率為1%[7]；代入公式數值得：

4.1.6設備結構的設計

①空氣分布器：本罐采用單管進風。

②擋板：本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設擋板 ?

③密封方式：本罐采用雙面機械密封方式，處理軸與罐的動靜問題。

④冷卻管布置：采用豎式蛇管[7]??

Ⅰ 最高負荷下的耗水量W

式中 ? Q總——每1m3醪液在發酵最旺盛時，1h的發熱量與醪液總體積的乘積

? ? ? ? ? ?cp——冷卻水的比熱容，4.18kJ/（kg·K）

? ? ? ? ? ?t2——冷卻水終溫，t2=27℃

? ? ? ? ? ?t1——冷卻水初溫，t1=20℃

? ?將各值代入上式

冷卻水體積流量為9.958×10-2m3/s，取冷卻水在豎直蛇管中的流速為1m/s，根據流體力學方程式，冷卻管總截面積S總為：

式中 W——冷卻水體積流量，W=9.958×10-2m3/s

? ? ? ? ? V——冷卻水流速，v=1m/s

代入上式：

進水總管直徑 ：

Ⅱ 冷卻管組數和管徑：設冷卻管總表面積為S總，管徑d0，組數為n，則：

取n=12，求管徑。由上式得：

查金屬材料表選取φ108×4mm無縫管[9]，? ?，，認為可滿足要求，。

現取豎蛇管圈端部U型彎管曲徑為250mm，則兩直管距離為500mm，兩端彎管總長度為：

Ⅲ 冷卻管總長度L計算：由前知冷卻管總面積

現取無縫鋼管φ108×4mm，每米長冷卻面積為

則:

冷卻管占有體積：

Ⅳ 每組管長L0和管組高度：

另需連接管4.2m：

可排豎式直蛇管的高度，設為靜液面高度，下部可伸入封頭500mm。設發酵罐內附件占有體積為1.5m3，則：總占有體積為

則筒體部分液深為：

豎式蛇管總高

又兩端彎管總長，兩端彎管總高為1m，

則直管部分高度：

則一圈管長：

Ⅴ 每組管子圈數n0：

取10圈

L實=23.71×10×12＋（4.2×12）=2895.6>2509.2（m）

現取管間距為，豎蛇管與罐壁的最小距離為0.15m，則可計算出攪拌器的距離在允許范圍內（不小于200mm）。

Ⅵ.校核布置后冷卻管的實際傳熱面積：

而前有F=627.3m2，，可滿足要求。

設備材料的選擇

選用A3鋼制作，以降低設備費用。

4.1.6.1發酵罐壁厚的計算

①計算法確定發酵罐的壁厚S

? （cm）

式中 ? ?P——設計壓力，取最高工作壓力的1.05倍，現取P=0.4MPa

? ? ? ? ? ? ?D——發酵罐內徑，D=680cm

? ? ? ? ? ?〔σ〕——A3鋼的應用應力，〔σ〕=127MPa

? ? ? ? ? ? ?φ——焊接縫隙， ?φ=0.7

? ? ? ? ? ? ?C——壁厚附加量（cm）

式中 ? ?C1——鋼板負偏差，現取C1=0.8mm

? ? ? ? ? ? C2——為腐蝕余量，現取C2=2mm

? ? ? ? ? ? C3——加工減薄量，現取C3=0

選用18mm厚A3鋼板制作。

②封頭壁厚計算：標準橢圓封頭的厚度計算公式[5]如下：

? （cm）

式中 ?P=0.4MPa

? ? ? ? ? D=680cm

〔σ〕=127MPa

C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm）

φ=0.7

4.1.6.2接管設計

①接管的長度h設計：各接管的長度h根據直徑大小和有無保溫層，一般取200~500mm。

②接管直徑的確定：

按排料管計算：該罐實裝醪量467.5m3，設2h之內排空，則物料體積流量

發酵醪流速取v=1m/s;則排料管截面積為F物。

管徑：

取無縫管φ325×8mm，309mm〉287mm，認為合適。

按通風管計算，壓縮空氣在0.4MPa下，支管氣速為20~25m/s?，F通風比0.1~0.50vvm，為常溫下20℃，0.1MPa下的情況，要折算0.4MPa、30℃ 狀態。風量Q1取大值，。

利用氣態方程式計算工作狀態下的風量Qf[8]

取風速v=25m/s，則風管截面積Ff為

則氣管直徑d氣為：

因通風管也是排料管，故取兩者的大值。取φ325×8mm無縫管，可滿足工藝要求。

排料時間復核：物料流量Q=0.065m3/s，流速v=1m/s；

管道截面積：

，

在相同的流速下，流過物料因管徑較原來計算結果大，則相應流速比為

排料時間：

4.1.7支座選擇

生物工程工廠設備常用支座分為臥式支座和立式支座。其中臥式支座又分為支腿，圈型支座，鞍型支座三種。立式支座也分為三種即懸掛支座，支承式支座和裙式支座。

對于100m3以上的發酵罐，由于設備的質量較大，應選用裙式支座。

發酵所需的種子從試管斜面出發，經活化培養，搖瓶培養，擴大至一級乃至二級種子罐培養，最終向發酵罐提供足夠數量的健壯的生產種子。種子罐冷卻方式采用夾套冷卻。 ? ? ? ? ??

①種子罐容積的確定：接種量為8%計算，則種子罐容積V種為：

式中 ? V總——發酵罐總容積（m3）

由上知可選用容積50 m3的種子罐進行反應

② 種子罐個數的確定：

種子罐與發酵罐對應上料。發酵罐平均每天上5罐，需二級種子罐6個。種子罐培養8h，輔助操作時間8~10h，生產周期16~18h，因此，二級種子罐6個已足夠，其中一個備用。

③主要尺寸的確定

?種子罐仍采用幾何相似的機械攪拌通風發酵罐。

H：D=2：1，則種子罐總容積量V'總為：

簡化方程如下：

??

整理后

解方程得

D=3.1m

則

H=2D=2×3.1=6.2（m）

圓筒容量 ：

單個封頭容量：

V'封=3.897（m3）

? ?校核種子罐總容積V'總：

比需要的種子罐容積50m3大 ，可滿足設計要求。

采用列管冷卻

Ⅰ 發酵產生的總熱量：

Ⅱ 豎式列管傳熱系數：

取經驗值K=4.18×500kJ/（m2·h·℃）

Ⅲ 平均溫差：發酵溫度32℃；水初溫20~23℃，取23℃；水終溫27℃，則

平均溫差：

Ⅳ 冷卻面積F：

? ? ? ? ? ? ? ? ??設備材料的選擇 采用A3鋼制作

Ⅰ內罐的壁厚

式中 ?D——設備的公稱直徑，310cm

? ? ? ? ? m——外壓容器的穩定系數，與設備的起始橢圓度有關，在我國，m=3

? ? ? ? ? P——設計壓力，與水壓有關，P=0.4MPa

? ? ? ? ? E——金屬材料的彈性模量[9]，對A3鋼E=2×105MPa

? ? ? ? ? C——壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18

? ? ? ? ? L——筒體長度，L=110cm

將數值代入公式：

取12mm

Ⅱ 封頭的厚度δ封：查《發酵工廠工藝設計概論》P317表16 碳鋼橢圓封頭最大需用內部壓力

i ?對于上封頭，取δ封=9mm

ii 對于下封頭，取δ封=12mm

Ⅲ 冷卻外套壁厚：查《發酵工廠工藝設計概論》P314表13 碳鋼與普低鋼制內壓圓筒壁厚，確定δ套=9mm

Ⅳ 外套封頭壁厚：查《發酵工廠工藝設計概論》P316表15 橢圓形封頭，確定δ套封=12mm

Ⅰ 擋板：根據全擋板條件，式中　B——擋板寬度B＝（0.1-0.12）D=0.1×3100=310mm

? ? ? ? ? D——罐徑　D＝3100mm

? ? ? ? ? Z——擋板數：

取Z＝6塊

Ⅱ 攪拌器：采用六彎葉渦輪攪拌器

直徑：

Di＝0.3~0.35D

現取：

葉片寬度：

弧長：

盤徑：

葉弦長：

攪拌器間距：

底距：

攪拌器轉速N2，根據50L罐，470r/min，使用P0/V為基準放大[6]，N1＝470r/min，

攪拌器直徑Di=112mm

兩擋攪拌。

Ⅲ 攪拌軸功率的計算 ?

? ?淀粉水解糖液低濃度細菌醪，可視為牛頓流體。

i 計算Rem[8]

式中 ? D——攪拌器直徑，D=0.93m

? ? ? ? ? ?N——攪拌器轉速，? ? ? ? ? ?ρ——醪液密度，ρ=1050 kg/m3

? ? ? ? ? ?μ——醪液粘度， μ=1.3×10-3N·s/m2

?將數代入上式：

視為湍流，則攪拌功率準數Np=4.7

ii 計算不通氣時的攪拌軸功率P0：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??式中 ?Np——在湍流攪拌狀態時其值為常數4.7

? ? ? ? ? N——攪拌轉速，N=114.62r/min=1.91r/s

? ? ? ? ? D——攪拌器直徑，D=0.93m

? ? ? ? ? ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3? 代入上式：

兩擋攪拌iii 計算通風時的軸功率Pg

式中 ? P0——不通風時攪拌軸功率（kW），? ? ? ? ? ?N——軸轉速，N=114.62r/min

? ? ? ? ? ?D——攪拌器直徑（cm），D3=0.933×106=8.04×105

? ? ? ? ? ?Q——通風量（ml/min），設通風比VVm=0.11~0.18，取低限，如通風量變大，Pg會小，為安全?，F取0.11；

則

Q=44×0.11×106=4.84×106（ml/min）

代入上式：

iv 求電機功率P電：

采用三角帶傳動η1=0.92；滾動軸承η2=0.99，滑動軸承η3=0.98；端面密封增加功率為1%；代入公式數值得：

Ⅳ 進風管：該管距罐底40~90mm之間，現取50mm向下單管。

通風管管徑計算：設罐壓0.4MPa，發酵溫度t=32℃，風速v=20m/s，通風量為0.18VVm，

常壓下t0=20℃，送風量V為：

將通風換算成工作狀態，求通風管直徑d1

圓整，查《發酵工廠工藝設計概論》，無縫鋼管(YB231-70)，管徑采用63×3.5mm ,內徑63-2×3.5=56 mm大于45 mm，可滿足生產要求。

Ⅵ 進出物料管：該管為物料進口，管底距罐底40~90mm之間，現取60mm向下單管。

按輸送物料算：20min送完3.1m3物料

則物料流量為

管道截面為F，物料流速為v=0.5~1m/s，現取v=0.5m/s，則：

設管徑為：

查《發酵工廠工藝設計概論》，無縫鋼管，管徑采用325×8mm ,內徑325-2×8=309 mm大于305 mm，可滿足生產要求。

Ⅶ 冷卻水管：由前知需冷卻熱量，冷卻水溫變化

23℃ ? ? ? 27℃，

水比熱容則耗水量W為：

=13.938（kg/s）

4.2.5支座選型

選用支撐式支座

分過濾器風量的計算：

查《生物工程設備》P389?表3-1-9 JLS-D型空氣過濾器技術特性，選用JLS-D-3型空氣過濾器，過濾能力3m3/min，外型尺寸φ238×1085mm, 重量36kg，進出口管徑φ48×4，與種子罐進風口不一致，可采用法蘭變徑即可。過濾能力3m3/min大于2.044m3/min，能滿足生產要求。數量與級種子罐數量一致，共6只。 ??

①分過濾器濾層直徑計算：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??式中 V——通過發酵罐分過濾器的空氣流量（0.4MPa下）

? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ?Vs——通過分過濾器的氣速，現取0.2m/s

則 ? ?② 分過濾器直徑：

。

?現取 ：

查金屬材料表，選無縫鋼管，或用鋼板卷制。圓整倒推薦值：

D過濾器=2000mm

③分過濾器的壁厚：設計壓力P=0.5MPa

取S=6mm。

④進出氣管：進出氣管直徑可取與設備通風管一致，即φ133×4無縫管

⑤數量：分過濾器與發酵罐相配合，每罐一個，共需9臺。

⑥濾層厚度：同種子罐，分過濾器5~6層超細玻璃纖維濾紙，經樹脂處理過使用。

⑦分過濾器高度：

4.4 ?味精廠發酵車間設備一覽表

味精發酵車間設備見表

表100000t/a味精廠發酵車間設備一覽表

五 設計總結與體會

此次設計歷時三個多星期，完成了10萬噸味精工廠發酵車間的物料衡算、熱量衡算等計算和設備設計及選型相關的圖紙任務。本設計參考了許多文獻，特別是得到了諶頡老師的精心指導與督促。?

? 這次設計不僅讓我們進一步熟悉和鞏固了很多化工工藝方面的知識，還初步掌握了許多有關設計方面的知識，同時也讓我們明白理論聯系實際的重要性，更讓我們懂得了獨立思考問題、分析問題和解決問題，以及謙虛的求教態度和團結的合作精神等。這些對于我們將來的工作和生活都將有著很大的作用。 ? ??

由于理論知識與設計經驗的不足，本設計對于有些設備的計算與選型等方面沒有加以分析，已經計算選型的設備也可能與實際有偏差甚至不符，同時所選的參考資料比較少，有些信息與實際情況有些差距，因此本設計用于實際生產時需要進一步的改進。本設計的這些不足之處和錯誤之處還需要各位老師多多指點并加以改進。?

在此次設計完成之際，再次對一直悉心教導我們的老師們，還有幫助過我們的同學表示衷心的感謝，并致以崇高的敬意。

[1]張克旭．氨基酸發酵工藝學，中國輕工業出版社，1992：279-280。

[2]張啟先．我國發酵工業發展現伏與對策科技導報，1992（2）：44-45。

[3]高孔榮．發酵設備，中國輕工業出版社，1991：1-5。

[4]王旭 禹鄭超．味精發酵生產工藝及其主要設備，高等函授學報（自然科學版），1995（4）：45-48。

[5]吳思方．發酵工廠工藝設計概論，中國輕工業出版，1995。

[6]梁世中．生物工程設備，中國輕工業出版社，2002。

[7]黎潤鐘．發酵工廠設備，中國輕工業出版社，1991。

[8]姚玉英．化工原理，天津大學出版社，1999。

[9]國家醫藥管理局上海醫藥設計院，化工工藝設計手冊，化學工業出版社，1996。

[10]華南工學院，發酵工程與設備，北京輕工業出版社，1981。

[11]何銘新等．機械制圖，高等教育出版社，1997。

[12]何銘新等．建筑制圖 ?高等教育出版社，1994。

[13]華東理工大學 浙江大學，生物工程(技術)專業英語，化學工業出版社，1999。

[14]許贛榮．發酵生物技術專業英語，中國輕工業出版社，2004。

[15]英漢生物化學詞典，科學出版社，1983。

[16]Chemical Engineering progress ．March，1976。

[17]Lydersen B. K, D'elia Nelson K.L． Bioprocess Engineering : Systems, equipment and facilities, ed. john Wiley & Sons, INC. 1994.New York.。

[18]W.L.McCabe and J.C.Smith． Unit Operations of Chemical Engineering, 3rd ed.New York:GcGraw-Hill，1976,Section 4。

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