年产10万吨味精厂发酵车间设计.doc

年产10万吨味精厂发酵车间设计

南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计

年产10万吨味精厂发酵车间设计

Annual Production Capacity of 100,000 Tons of Monosodium Glutamate Fermentation Plant Design Workshop

学 院： 生物与化学工程学院
专 业： 生 物 化 学 专 业
学生姓名： *****
学 号： ****
指导教师： 李 杰（讲师）
完成日期： 2009.5

南阳理工学院
Nanyang Institute of Technology

3

年产10万吨味精厂发酵车间设计
生物工程专业 ****
[摘 要］本设计的题目是年产10万吨味精厂发酵车间设计，在熟悉味精及其生产的基础上通过比较不同工艺的优缺点，确定能满足生产任务的先进、合理的工艺流程。根据所采用的工艺流程、该工艺对原料的利用情况确定满足生产任务所需原料的量，然后确定所采用的设备类型、结构尺寸，同时进行所需水的衡算，同时确定培养基灭菌流程，然后进行所需设备的选型和计算，最后进行发酵车间的设备布置，并制作工艺流程图和设备布置图。
[关键词]味精 物料衡算 发酵车间设计 设备选型

Annual Production Capacity of 100,000 Tons of Monosodium Glutamate Fermentation Plant Design Workshop
Biological Engineering Major LI Ting

Abstract：This design is the subject of an annual output of 100,000 tons of monosodium glutamate fermentation plant design workshop, in a familiar and monosodium glutamate production based on comparative advantages and disadvantages of different processes to determine the production tasks to meet the advanced and reasonable process. According to the process used in the process of utilization of raw materials to meet production requirements to determine the amount of raw materials, and then used to determine the type of equipment, structure, size, at the same time to carry out the necessary balance of water and steam balance, at the same time to determine medium sterilization processes, the necessary equipment and then proceed to the selection and calculation of the final fermentation workshop equipment layout, and production process flow diagram and equipment layout.
Key words：Monosodium glutamate material balance fermentation workshop design equipment selection

37

目 录
前言 1
1 味精生产工艺 3
1.1 工艺选择 3
1.2 原料选择 4
1.3 菌种选择 4
1.4 培养基选择 4
2 工艺设计 6
2.1 物料衡算 6
2.1.1 工艺技术指标及基础数据 6
2.1.2 谷氨酸发酵车间的物料衡算 7
2.2 无菌空气消耗量的计算 9
2.2.1 无菌空气消耗量计算的意义 9
2.2.2 无菌空气消耗量计算 9
2.3 设备的设计选型 11
2.3.1 专业设备设计选型 11
2.3.2 连续操作设备的计算和选型 25
2.3.3非专业设备的计算和选型 28
2.4 味精厂发酵车间设备一览表 30
2.5车间设计布置原则 31
2.6车间布置相关技术参数要求 32
2.7 设备布置说明 33
结论 35
参考文献 36
致 谢 37

前言
味精是人们熟悉的鲜味剂，是世界上应用范围最广、产销量最大的一种氨基酸类物质，是发酵工业和调味工业的主导产业。
味精的化学成分是谷氨酸钠,为白色透明有光泽的八面柱状结晶体。易溶于水，不溶于纯酒精、醚及丙酮等有机溶剂，对光稳定，中性条件下水溶液加热也不分解，一般情况下无毒性。
味精是重要的调味品之一，作为调味品的市售味精，为干燥颗粒或粉末，因含一定量的食盐而稍有吸湿性，贮放应密闭防潮。商品味精中的谷氨酸钠含量分别有90%、80%、70%、60%等不同规格，以80%最为常见，其余为精盐，食盐起助鲜作用兼作填充剂。市场也有不含盐的颗粒较大的“结晶味精”。
据研究：味精可以增进人们的食欲，提高人体对其他各种食物的吸收能力，对人体有一定的滋补作用。其摄入体内后可分解成谷氨酸、酪氨酸，对人体健康有益。但过多的食用味精就会出现一些不良反应，如头昏眼花，眼球突出，上肢麻木，下颌发抖，心慌气喘，晕眩无力等表现。因此，在烹制食品时，放入味精宜适量[1]。
味精是世界上应用范围最广、产销量最大的一种氨基酸类物质,是发酵工业和调味工业的主导产业。主要生产国家和地区有中国、韩国、日本、印尼、泰国、法国、巴西和我国台湾等地，其中，亚洲的味精产量占世界总产量的90％，而我国又是世界上最大的味精生产国之一。就人均消费量来看，我国味精消费主要在沿海经济发达地区。据估计，北京市年消费达1.5万吨。因而预期味精需求将有进一步的增长，我国和世界部分地区味精产品的消费潜力很大，市场前景看好，为我国发展味精工业提供了先决条件。
我国味精的生产，从技术水平上看，与国外还有不小的差距，主要表现在以下几个方面：①菌种性能，我国平均产酸水平5～6%，日本10～14%，糖酸转化率，我国45％左右，而日本则在50～60％左右；②工艺和过程控制，我国普遍采用底糖或中糖发酵，而日本已采用高糖并实行流加糖工艺；③生产规模，我国生产规模普遍较小；④污染，国外已普遍对味精废液进行了综合利用，我国在培养单细胞蛋白方面取得了一定的成功。
经过近年来引进国外技术和技术改进，缩短了我国与国外先进水平的差距。主要表现在以下几个方面:
（1）技术提高。谷氨酸平均产酸率从4.58%提高至8.46%，糖酸转化率从38.24%提高到54.07%，提取率从77.87%提高到89.22%，精制率得从89.51%提高到93.50%。均已达到或接近世界先进水平。
（2）发酵设备发展朝向大型化。多数味精厂已淘汰了75m3、的发酵罐，广泛采用100m3至200m3的中型罐。1997年,珠海益力味精厂已建立全国最大容量660m3的发酵罐，产酸率达到10％以上。等电点罐从原来的50 m3,发展至现时的200m3；离子交换柱由1.2m扩大到6.0m；味精结晶缸由6～10m3扩大到12～25m3。
（3）工艺改进。味精生产糖化工艺，1994年，全行业由酸法过渡到酸酶、酶酸法，并采用连续喷射液化，使淀粉糖化收率从90％左右提高到97％～98％，味精总收率提高4％，全行业年增产味精2万多吨，糖液含糖由18-20％提高到30～36％，为酶发酵产酸创造了有利的条件。
（4） 开发替代原料,降低生产成本。我国味精生产均以淀粉为原料。成本相对比较高，如全部改用玉米代替大米做原料，每吨味精成本由比国际同行业先进水平高1000元有望降到比国际同行业先进水平低2000元的水平，同时可大大减少生产所形成的有机废水、废渣，实现清洁生产。
（5） 环保问题，味精行业已成为国家限期治理三河三湖地区的重点行业之一。目前全国主要味精十几个企业基本上实施了废水达标排放。无锡轻工业大学研制的味精封闭循环的清洁生产工艺，在青岛味精厂中试的基础上，在菱花味精厂进行2 万吨味精规模的生产性试验，取得满意结果[2]。
本设计主要研究以玉米为原料进行发酵生产味精的过程。主要涉及菌种的选育、谷氨酸发酵设备的设计和选型，及发酵条件的控制等方面的内容。关键的问题是工艺流程的选择和确定，这关系到味精产量的多少和质量的好坏，因此工艺流程的确定必须要选择先进、经济的工艺流程。其次就是车间设备的布置，车间设备布置得好坏直接关系着整个工厂的生产效率和能力的耗损，因此必须要慎重解决。最后争取在工艺上力求其合理性和先进性，在设备上尽量采用先进的生产设备，生产过程机械化、自动化，减轻繁重的体力劳动，提高劳动生产率，在技术上尽量采用已成熟的生产技术，使建厂后即能顺利投产，并能达到设计能力。

1 味精生产工艺
1.1 工艺选择
目前国内正在采用的谷氨酸发酵工艺有酸解法、双酶法、酶酸法等三种，此三种发酵工艺各有优缺点。选择发酵工艺时应该根据具体情况，如所用的原料、发酵设备、提取工艺、水、热量等条件来决定［1］。无论采用哪一种工艺都必须达到提高效率、降低单耗、降低成本，而不能片面追求某一项高指标，必需考虑综合效益。
淀粉水解糖或糖蜜

配料

菌种
一级种子
二级种子
发酵

晶种

等电点提取

洗脱
母液上离子交换柱
离心分离

谷氨酸

中和、脱色

真空煮晶

分离

干燥

筛分

成品（味精）

图1 发酵法制造谷氨酸的工艺流程
Figure 1 Glutamic Acid Fermentation Process to Create
目前谷氨酸的生产方法主要有三种：
⑴ 蛋白质水解法：植物蛋白水解提取，甜菜糖蜜中提取；
⑵ 合成法：以化工原料丙烯腈、糖醛、环戊二烯为原料合成；
⑶ 发酵法：以淀粉（或糖蜜）为原料，经糖化、发酵、谷氨酸提取后用谷氨酸制造味精。
蛋白质水解制造味精是最古老的一个方法，其优点是水解操作易于掌握，但原料来源少，价格高，得率低，对设备腐蚀性打，劳动繁重，故此法目前已极少使用；合成法的优点是不用粮食原料，但需要高温高压，设备要求高、严密性好，不适于一般工厂生产；目前，国内谷氨酸（味精）的生产已全部采用发酵法，而且多以淀粉为原料，仅有少数工厂采用糖蜜作为原料。这个方法的优点是：
① 原料来源丰富，含糖原料、碳氢化合物等经微生物发酵均可获得需要的产品，不像水解法那样，只能利用蛋白质为原料。
② 得率高，成本低。按目前发酵水平，每100kg糖发酵转化为谷氨酸可达45kg左右，如用碳氢化合物转化率可高达70%以上，成本较水解法低50%以上。
③ 有利于机械化自动化生产，劳动强度降低，生产率较高［1］。
发酵法生产味精的全过程可划分为四个工艺阶段:ⅰ原料的预处理及淀粉水解糖的制备;ⅱ种子扩大培养及谷氨酸发酵;ⅲ谷氨酸的提取;ⅳ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［4］。
1.2 原料选择
河南省是华北黄淮主要玉米产区之一，而且是全国的农业大省，其玉米产量更是全国之最。由此可知，选用玉米做原料既满足要求又可以节省很大的原料投资。
1.3 菌种选择
目前国内各味精厂使用的谷氨酸生产菌株主要有：北京棒杆菌（AS.1299）、7338、S–941、D110、WTH–1;钝齿棒杆菌（AS1.542）、HU7251、B9、F–263；天津短杆菌（T6–13）、FM–8207、FM–415、U–9、D85等菌株。
通常选用B9菌株作为发酵用菌种，7338菌株作为B9菌株感染噬菌体后的备用调换菌种。
1.4 培养基选择
㈠ 种子培养基
国内谷氨酸发酵种子扩大培养普遍采用二级种子培养的流程，即：斜面菌种→一级种子培养→二级种子培养→发酵罐。
⑴ 一级种子培养
一级种子培养的目的在于大量繁殖活力强的菌株，培养基组成应以少含糖分，多含有机氮为主，培养条件从有利于长菌考虑。
⑵ 二级种子培养
为了获得发酵所需要的足够数量的菌体，在一级种子培养的基础上进而扩大到种子罐的二级种子培养。种子罐容积大小取决于发酵罐大小和种量比例。
㈡ 发酵培养基
与种子培养基不同，发酵培养基不仅是供给菌体生长繁殖所需要的营养和能源，而且是构成谷氨酸的碳架来源，要积累大量谷氨酸，就要有足够量的碳源和氮源，其量大大的高于种子培养基。
㈢ 培养基灭菌方法的选择
中小规模的味精厂培养基灭菌多采用实罐间歇灭菌，以简化操作手续。规模较大的厂则考虑连续灭菌以提高经济效益。
连续灭菌也叫连消，其温度一般以126～132 ℃为宜，总蒸汽压力要求达到0.044～0.049 MPa以上。

本设计采用连消塔----喷淋冷却流程［2］。

图2 连消塔----喷淋冷却流程图
Figure 2 Even Eliminate Spray Cooling Tower Flow Chart

2 工艺设计
2.1 物料衡算
年产10万吨味精工厂发酵车间物料平衡时工艺计算的基础，它是工艺设计工作从定性分析进展到定量计算的开端。
一旦选定了生产方法并完成了工艺流程示意图的设计后，就可以进行物料平衡计算，通过物料平衡计算可以求出生产过程中原料、中间体和产品等进出生产设备的物料的成分、重量和体积，进而计算出生产产品的原料消耗定额以及单位时间内（日或年）原料的消耗量，成品的产量和副产物、废物等物料的排出量。
根据物料平衡计算的结果可以确定生产设备的容量、设备的台数和主要尺寸，进行工艺流程草图的设计和水、蒸汽、热量、无菌空气消耗量等地计算。物料平衡计算的基本依据是质量守恒定律，即引入各设备的全部物料质量必须等于离开该设备的全部物料质量和物料损失之和。
2.1.1 工艺技术指标及基础数据
（1）主要技术指标如下表所示［3］：
表1 谷氨酸发酵工艺技术指标
Table 1 Specifications of Glutamic Acid Fermentation Process
指标名称
单位
指标数
生产规模
t/a
100000（味精）
生产方法
中糖发酵，等电点–离子交换提取
年生产天数
d/a
300
产品日产量
t/a
334
产品质量
纯度%
99
倒灌率
%
0.2
发酵周期
h
48
发酵初糖
Kg/m3
150
淀粉糖转化率
%
108
糖酸转化率
%
60
谷氨酸含量
%
95
谷氨酸提取率
%
95
味精对谷氨酸产率
%
122
（2）主要原材料质量指标 淀粉原料的淀粉含量为80%，含水14%。
（3）二级种子培养基（g/L） 水解糖50，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，硫酸锰0.002，硫酸亚铁0.002，生物素0.02㎎。
（4）发酵初始培养基（g/L）水解糖150，糖蜜4，硫酸镁0.6，氯化钾0.8，磷酸0.2，硫酸亚铁0.002，硫酸锰0.002，尿素（总尿）40，泡敌1.0，生物素0.02㎎
（5）接种量为8% 。
2.1.2 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。
（1）发酵液量V1

式中 220——发酵培养基初糖浓度（kg/m3）
60%——糖酸转化率
95%——谷氨酸提取率
99.8%——除去倒灌率0.2%后的发酵成功率
122%——味精对谷氨酸的精制产率
（2）发酵液配制需水解糖量G1
以纯糖算
（3）二级种液量 V2：
（4）二级种子培养液所需水解糖量 G2：
式中 50——二级种液含糖量（kg/m3）
（5）生产1000kg味精需水解糖总量G为：
（6）耗用淀粉原料量
理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故耗用的淀粉量G淀粉为：

式中 80%——淀粉原料含纯淀粉量
108%——淀粉糖转化率
（7）尿素耗用量
二级种液耗尿素量为V3：
发酵培养基耗尿素为V4 ：
故共耗尿素量为263.834kg
（8）糖蜜耗用量
二级种液耗用糖蜜量V5：
发酵培养基耗糖蜜量V6：
合计耗糖蜜36.68kg
（9）氯化钾耗量GKCl：
（10）磷酸氢二钠（Na2HPO4·7H2O）耗量G3：
（11）硫酸镁（MgSO4·7H2O）用量G4：
（12）消泡剂（泡敌）耗用量G5：
（13）玉米浆耗用量（8 g/L）
（14）生物素耗用量 G7：
（15）硫酸锰耗用量G8
二级种液耗用糖蜜量
发酵培养基耗糖蜜量
故共耗硫酸锰量为1.06 kg
（16）硫酸亚铁耗用量G9
二级种液耗用糖蜜量
发酵培养基耗糖蜜量
故共耗硫酸亚铁量为1.06 kg
（17）磷酸耗用量G10：
（18）谷氨酸（麸酸）量G11
发酵液谷氨酸含量为：

实际生产的谷氨酸（提取率95%）为：
（19）植物油耗用量G12：
具体计算结果如表

表2 100000t/a味精厂发酵车间的物料衡算
Table 2 100000t / a Monosodium Glutamate Factory Fermentation Plant Material Balance
物料名称
生产1t味精（100%）的物料量
100000t/a味精生产的物料量
每日物料量
发酵液（m3）
6.55
6.55×105
2183.34
二级种液（m3）
0.524
5.24×104
174.67
发酵水解用糖（kg）
1441
1.441×108
4.8×105
二级种培养用糖（kg）
26.2
2.62×106
8733.34
水解糖总量（kg）
1467.2
1.47×108
4.9×105
淀粉用量(kg)
1529.9
1.53×108
5.10×105
尿素用量
263.84
2.64×107
8.8×104
糖蜜用量（kg）
36.68
3.67×106
12240
氯化钾用量（kg）
5.24
5.24×105
1746.67
磷酸氢二钠用量（kg）
0.524
5.24×104
1746.67
硫酸镁用量（kg）
4.24
4.24×105
1413.34
泡敌用量（kg）
6.55
6.55×105
2183.34
植物油用量（kg）
6.55
6.55×105
2183.34
生物素用量（kg）
0.0236
2.36×103
7.87
玉米浆用量（kg）
4.19
4.19×105
1396.67
硫酸锰用量（kg）
1.0611
1.0611×105
353.7
硫酸亚铁用量（kg）
1.0611
1.0611×105
353.7
磷酸用量（kg）
1.31
1.31×105
436.67
谷氨酸用量（kg）
819.8
8.198×107
273.27×103
2.2 无菌空气消耗量的计算
2.2.1 无菌空气消耗量计算的意义
大多数微生物的生长、繁殖和代谢都需要氧的存在，尤其是好氧培养过程更是需要消耗大量的氧，氧有时甚至是影响发酵生产的制约因素。在好氧发酵过程中，要使发酵液保持一定的溶氧浓度，就必须向反应系统通入大量的无菌空气，以保证发酵液有一定的溶氧浓度，使发酵过程得以顺利进行。通过无菌空气用量的计算，可以确定与发酵设备配套的压缩机的选型与台数，并进行空气过滤除菌系统的设计［3］。
2.2.2 无菌空气消耗量计算
⑴ 发酵工业技术指标及基础数据
生产一吨味精的发酵液量：6.55m3
二级种子液：0.524m3
发酵时间：38h
发酵周期（含清洗、灭菌等）：48h
发酵罐公称容积：500 m3
发酵罐装料系数：70﹪
⑵ 发酵过程无菌空气用量计算
发酵车间无菌空气消耗量主要用于谷氨酸发酵过程通风供氧，其次是种子培养的通气以及培养基压料输送。此外，因设备和管路、管件等的消毒吹干以及其他损耗也构成无菌空气的消耗量。
① 单罐发酵无菌空气耗用量
由经验数据可知，500 m3规模的通风搅拌发酵罐的通气率为0.15VVm。
ⅰ 单罐发酵过程用气量：
V=500×70﹪×0.15×60=1050 (m3∕h)
ⅱ 单罐年用气量：Va=V×38×150=6×106m3
式中 150——每年单罐发酵批次
② 种子培养等其他无菌空气耗量
二级种子培养是在种子罐中进行的，可根据接种量、通气速率、培养时间等进行计算，但通常的设计习惯是把种子培养用气、培养基压送及管路损失等算作一次。一般取这些无菌空气消耗量之和约等于发酵过程空气耗量的25﹪，故
无菌空气耗量为：V´=25﹪V=262.5(m3∕h)
每年用气量为：Va´=25﹪Va×12=2.1×107 m3
式中 12——发酵罐个数
③ 发酵车间高峰无菌空气消耗量
Vmax=12(V+V´)=12×（1050+262.5）=18375(m3∕h)
④ 发酵车间无菌空气年耗用量
Vt=12×150(V+V')×38=1.05×108(m3)
ⅲ 发酵车间无菌空气单耗
根据设计，实际味精年产量为：
G=550×70%×7×300÷6.55=1.24×105（t／a）
故发酵车间无菌空气单耗为：
V0= Vt÷G=846.8（m3／t)
ⅳ 1000000t／a味精厂发酵车间无菌空气衡算表
根据上述计算，得出1000000t／a味精厂发酵车间无菌空气用量衡算表。

表3 发酵车间无菌空气衡算表
Table 3 Fermentation Plant Sterile Air Balance Sheet
发酵罐公称容积(m3)
单罐通气量(m3∕h)
种子培养耗气量(m3∕h)
高峰空气耗量(m3∕h)
年空气耗量(m3∕h)
空气单耗m3／t味精
500
1050
262.5
18375
1.05×108
846.8
发酵罐装料系数为70%，发酵周期为40h，年生产天数为300天，实际生产能力为1.24×105t／a，公称容积为500 m3，全容积为550 m3。
2.3 设备的设计选型
通常，发酵工厂所涉及的设备分为专业设备、通用设备和非标准设备。专业设备是指发酵罐、糖化锅等专业性较强、仅为发酵工厂使用的设备；泵、风机等各行各业都可以使用的设备成为通用设备；非标准设备是指生产车间的贮藏、池子等设施。因本设计只涉及发酵车间，故主要介绍发酵车间设备的工艺设计与选型。
热量衡算是工艺设计中的重要内容，它可以为过程设计和操作提供依据，是组织管理、经济核算和最优化的基础。通过热量衡算可以计算出生产过程的能耗，应用蒸汽消耗量等指标，对工艺设计的多种方案进行比较，从而选定先进的生产工艺，或对生产过程提出改造或革新。分析生产过程的经济合理性、过程的先进性，从而找出生产上的问题，进而予以改进。同时，热量衡算还可为设备的造型及其尺寸、台数的确定提供依据。总之，热量衡算的结果有助于生产工艺流程和设备的选择、改进，达到节约能源、降低生产成本、优化生产的目的。
2.3.1 专业设备设计选型
年产10万吨99%纯度的味精厂，其中发酵设备为间歇操作，灭菌设备为连续操作。
㈠ 发酵罐
（1）发酵罐的选型
当前，好气发酵罐的各种罐型纷纷出现，我国谷氨酸发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐。选用这种发酵罐的原因主要是：历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。
（2）生产能力、数量和容积的确定
①发酵罐容积的确定：选用500m3罐
②生产能力的计算：
现每天生产99%纯度的味精334t，每吨100%的味精需糖液6.55m3，谷氨酸的发酵周期为48h(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 ：

设发酵罐的填充系数φ=70%；则每天需要发酵罐的总容积为V0（发酵周期为48h）：

③发酵罐个数的确定［5］：公称容积为500m3的发酵罐，全容积为550 m3

取公称容积500 m3 发酵罐13个，其中一个留作备用。
实际产量验算：

富裕量：

能满足生产要求。
（3）主要尺寸的计算：
按全容积550 m3的发酵罐进行计算，取高径比 H：D=1.8：1［6］

则有：

得：，H=1.8D=12.4m；
根据经验数据知
封头高：

上、下封头容积 ：
V上= V下=πD3／24=42.97（m3）
圆柱部分容积：
V筒=0.785 D3 H=464.3（m3）
验算全容积V'全：
V'全= V筒+2 V封=464.3+42.97×2=549.79≈550（m3）
V全=V'全
符合设计要求，可行。
（4）冷却面积的计算
为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境气温最高时也能冷却下来，必须按发酵生成热量高峰，一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。
计算冷却面积使用牛顿传热定律［8］，即：。
对谷氨酸发酵，每1m3发酵液在每1h传给冷却器的最大热量约为4.18×6000kJ/(m3·h) ［8］。
采用竖式列管换热器，取经验值K=4.18×500 kJ/(m3·h·℃) ［8］。
平均温差Δtm［8］：

32℃ 32℃
20℃ 27℃

12 5
代入

对公称容量500 m3的发酵罐，每天装6罐，每罐实际装液量为
换热面积

Q——换热器的热负荷，kJ/h
K——局部总传热系数，kJ/(m2·h·℃)
F——换热面积，m2
Δtm——平均温差，℃
（5）搅拌器设计
机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种形式，由于谷氨酸发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器[6]。
该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系［5］:
Di:di:L:B=20：15：5：4
搅拌器叶径

取d=2.3（m）
叶宽 ：
弧长：
底距：
盘径 ：
叶弦长：
叶距 ：
弯叶板厚： δ=14（mm）
取两挡搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，搅拌转速N1=110r/min。以等P0/V为基准[6]放大可求得：

（6）搅拌轴功率的计算
通风搅拌发酵罐淀粉水解糖液低浓度细菌醪可视为牛顿流体。
① 计算Rem［3］

式中 D——搅拌器直径，D=2.3m
N——搅拌器转速，
ρ——醪液密度，ρ=1050 kg/m3
μ——醪液粘度， μ=1.3×10-3N·s/m2
将数代入上式：

视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7
② 计算不通气时的搅拌轴功率P0［3］：

式中 Np——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7
N——搅拌转速，N=65r/min=1.08r/s
D——搅拌器直径，D=2.3m
ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3
代入上式：

两挡搅拌，
③ 计算通气时的轴功率Pg［3］

式中 P0——不通气时搅拌轴功率（kW），
N——轴转速，N=65r/min
D——搅拌叶轮直径（cm），D3=2.33×106=1.2×107 cm
Q——通风量（ml/min）
设通风比VVm=0.11~0.18，取底限，通风量变大，Pg变小，为安全。
现取0.11，则：
Q=350×0.11×106=8.7×106（ml/min）

代入上式，得：

④ 求电机功率P电［3］：

采用三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%［9］；代入公式数值得：

（7）设备结构的工艺计算
① 空气分布器：本罐采用单管进风，风管直径φ219×6mm［5］。
② 挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板
③ 密封方式：本罐采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。
④ 冷却管布置：采用竖式蛇管［9］
Ⅰ. 最高热负荷下的耗水量W［5］：

式中 Q总——每1m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积
cp——冷却水的比热容，4.18kJ/（kg·K）
t2——冷却水终温，t2=27℃
t1——冷却水初温，t1=20℃
将各值代入上式

冷却水体积流量为8.59×10-2m3/s，取冷却水在竖直蛇管中的流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积S总为：

式中 W——冷却水体积流量，W=8.59×10-2m3/s
V——冷却水流速，v=1m/s
代入上式：

进水总管直径 ：

Ⅱ 冷却管组数和管径：
设冷却管总表面积为S总，管径d0，组数为n，则：
取n=40，求管径。由S总=n·0.785d02[2]：

查金属材料表选取φ63×3.5mm无缝管［10］， ，认为可满足要求，。
现取竖式蛇管端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为：

Ⅲ 冷却管总长度L计算：
由前知，冷却管总面积

现取无缝钢管φ63×3.5mm，每米长冷却管冷却面积为：

则:

冷却管占有体积：

Ⅳ 每组管子圈数n0：

现取管间距为：，竖式蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出与搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。
Ⅵ.校核布置后冷却管的实际传热面积［5］：

式中L实=L+40=2890（m2），其中40是接管，取得经验值。
而前有F=541.35m2，，可满足要求。
（8）设备材料的选择［5］
选用A3钢制作，以降低设备费用。
（9）发酵罐壁厚的计算
① 计算法确定发酵罐的壁厚S［5］
（cm）
式中 P——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa
D——发酵罐内经，D=690cm
〔σ〕——A3钢的应用应力，〔σ〕=127MPa
φ——焊接缝隙， φ=0.7
C——壁厚附加量（cm）

式中 C1——壁厚负偏差，通常为壁厚的10%～15%（mm），现取C1=0.8mm
C2——为腐蚀余量，现取C2=2mm
C3——加工减薄量，现取C3=0

选用19mm厚A3钢板制作。
（10）支座选择
对于75 m3以上的发酵罐，由于设备总重量较大，应选用裙式支座，所以本设计选用裙式支座。
㈡ 种子罐
由试管斜面保藏的菌种挑取一接种环的纯种，繁殖成能够供大规模生产需用的数百以至数千升种子的数量，其中必须经过若干扩大培养阶段。一般的工艺流程为：试管斜面菌种→试管斜面活化培养→三角瓶摇床培养（一级种子）→种子罐培养（二级种子）[1]。
Ⅰ 二级种子罐
（1）二级种子罐的选型
二级种子罐选型同发酵罐，仍采用机械搅拌通风发酵罐。
（2）二级种子罐容积和数量的确定
① 二级种子罐容积的确定：
接种量为8%计算，则种子罐容积V种为：

式中 V全——发酵罐总容积（m3）
② 二级种子罐个数的确定：种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上6罐，需二级种子罐6个。种子罐培养8h，辅助操作时间8～10h，生产周期16～18h，因此，二级种子罐6个已足够。
③ 主要尺寸的确定
二级种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。
H：D=1.8：1，则种子罐总容积量V´总为：

简化方程如下：

解方程得: D=2.98m,H=1.8D=5.36（m）
单个封头容量：

圆筒容量 ：

校核种子罐总容积V'总：

比需要的种子罐容积44 m3大 ，可满足设计要求。
④ 冷却面积的计算 采用夹套冷却
Ⅰ 发酵产生的总热量：

Ⅱ 夹套传热系数［5］：

现取K=4.18×220kJ/（m2·h·℃）
Ⅲ 平均温差：发酵温度32℃；水初温20~23℃，取23℃；水终温27℃，则
平均温差：

Ⅳ 需冷却面积F：

⑤ 设备材料的选择
采用A3钢制作
⑥ 设备结构的工艺设计
Ⅰ 挡板：根据全挡板条件［6］，
式中　B——挡板宽度，
B＝（0.1～0.12）D=（0.1～0.12）×2980=298～357.6mm
在此B取298 mm
D——罐径　D＝2980