味精发酵课程设计

课程名称:生物工程设备课程设计题目名称:100m³味精发酵学生学院：武汉纺织大学外经贸学院专业班级:生物工程学号：091415103009141510080914151024同组成员:陈卓丁静朱志敏指导教师：一、课程设计的内容1、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。2、进行工艺计算3、主要设备工作部件尺寸的设计4、绘制装配图5、撰写课程设计说明书二、设计要求与数据1.设备结构及主要尺寸的确定（D、H、HL、V、VL、Di等）；2.通风量的计算；3.搅拌功率计算与电机的选择；4.传热面积及冷却水用量的计算。三、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%、PH7.0~7.2。一级种子培养基：葡萄糖2.5%、尿素0.6%、KH2PO40.1%、MgSO4•7H2O0.04%、玉米.3~3.0ml、pH7.0。二级种子培养基：水解糖12~14%、尿素0.5~0.8%、玉米浆0.5~0.6ml、KH2PO40.1~0.2%、MgSO4•7H2O0.04%、pH7.0。发酵培养基：水解糖12~14、尿素0.5~0.8%、玉米浆0.6ml、MgSO4•7H2O0.06%、KCl0.05%、Na2HPO40.17%、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30～32℃。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34～37℃。（3）pH，谷氨酸产生菌发酵的最适pH在7.0～8.0。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：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。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5.2.2.1发酵罐容积的确定：初步选用公称容积为100m3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。214h)6bVDD封（封头体积近似公式：23040.15VDHD假设01.98HD，根据设计条件发酵罐的公称体积艺根据工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罐体直径=3885.238675mm故，罐体总高度为H=2.5x3885.238675=9716.096686mm取整H=9800mmD=3900mm圆筒高H0=2D=2x3900=7800mm封头高h1=0.25D=0.25x3900=975mm封头质边hb取50mm故，发酵罐的容积;（取椭圆形封头）2330/4232.2130.0fVDHVmm=0.785x3900x3900x7800+{（3.14x3900x3900x3900/24+（3.14x3900x3900/4）x0.02)x2}=93.13083+16.71579=109.84662m3此时，H0/D=7800/3900=2，与前面的假设接近故可认为D=3900mm最合适。搅拌叶的直径取Di=1200mm，其中Di/D=1200/3900=0.3符合（Di/D在0.3-0.5间）搅拌叶间距S=2Di=2x1200=2400mm搅拌叶至封头高度C=Di=1200mm1003m发酵罐的几何尺寸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D500mm，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10.42600()36.83()221700.80.4pDCmmmmp8.7，取9mmD－罐体直径（mm）p－耐受压强(取0.4MPa)φ－焊缝系数，双面焊取0.8项目及代号参数及结果备注公称体积3m100设计条件全体积3m110计算罐体直径mm3900计算发酵罐总高mm9800计算发酵罐筒体高度mm7800计算搅拌叶直径mm1200计算椭圆封头短半轴长mm1200计算椭圆封头直边高度mm50计算底搅拌叶至封头高度mm2400计算搅拌叶间距mm2400计算[σ]－设计温度下的许用应力（kgf/c2m）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa）C－腐蚀裕度，当δ－C10mm时，C＝3mm5.2.3.2罐体壁厚10.42600()36.83()221700.80.4pDCmmmmp8.7mm，取9mmD－罐体直径（mm）p－耐受压强(取0.4MPa)φ－焊缝系数，双面焊取0.8[σ]－设计温度下的许用应力（kgf/c2m）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa）C－腐蚀裕度，当δ－C10mm时，C＝3mm5.2.3.4搅拌器[8]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1003m发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶叶径d=1200mm，则可以计算出盘径di=0.65d=0.65x1200780mm，叶高h=0.3d=360mm叶长b=0.25d=300mm5.2.3.5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：250YZ，开在封头上；液位计：采用标准：51368HG型号：61R，开在罐身上；溶氧探头：SENDOF；pH探头：2PHS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RFⅡ（R·G）450-0.6HG21522-1995，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ⅡPN1.0DN80HGJ501-86-175.2.3.8管道接口（采用法兰接口）进料口：直径mm5.7108，开在封头上，排料口：mm5.7108，开在罐底；进气口：mm5.7108，开在封头上；排气口：mm5.7108，开在封头上；冷却水进、出口：mm5.7108，开在罐身；补料口：mm5.7108，开在封头上；取样口：mm5.7108，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100~200mm。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smmQ/07.0min/05.418.05.22331。利用气态方程式计算工作状态下的风量QfsmQf/21.0202733027335.01.007.03取风速v=20m/s，则风管截面积Ff为2001.02021.0mvQFff气2785.0dFf则气管直径d气为：md036.0785.0001.0气取φ45×4.5mm无缝管，45mm〉36mm,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：220123.0125.0785.0mF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（倍）55.010123.00068.0FvQP排料时间：ht1.1.02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。6.3冷却水耗量由实际情况选用进出口水温为18℃、26℃，则2145122013474.08027(/)()4.186(2618)pQWkghCttQ－单位时间传热量Cp－冷却水的平均比热，取4.186kJ/(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Ft=33℃，1212()()(3320)(3328)10.4933202.303lg2.303lg3328oFFmFFtttttCttttt1－冷却水进口温度t2－冷却水出口温度Ft－发酵温度设计心得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