味精發(fā)酵課程設計

1、<p>　　課程名稱:生物工程設備課程設計 </p><p>　　題目名稱:100m³味精發(fā)酵</p><p>　　一、課程設計的內(nèi)容 </p><p>　　1、通過查閱機械攪拌通風發(fā)酵罐的有關資料，熟悉基本工作原理和特點。</p><p><b>　　2、進行工藝計算 </b></p>

2、<p>　　3、主要設備工作部件尺寸的設計 </p><p><b>　　4、繪制裝配圖 </b></p><p>　　5、撰寫課程設計說明書 </p><p>　　二、 設計要求與數(shù)據(jù)</p><p>　　1.設備結構及主要尺寸的確定（D、H、HL、V、VL、Di等）；</p><p

3、><b>　　2.通風量的計算；</b></p><p>　　3.攪拌功率計算與電機的選擇；</p><p>　　4.傳熱面積及冷卻水用量的計算。 </p><p>　　三、發(fā)酵生產(chǎn)工藝及流程（發(fā)酵菌株、生產(chǎn)條件、原料、工藝流程等）</p><p><b>　　4.1味精生產(chǎn)工藝</

4、b></p><p>　　4.1.1 發(fā)酵菌株[3]</p><p>　　現(xiàn)有谷氨酸生產(chǎn)菌分屬于棒狀桿菌屬、短桿菌屬、小桿菌屬及節(jié)桿菌屬。目前工業(yè)上應用的谷氨酸產(chǎn)生菌有谷氨酸棒狀桿菌、乳糖發(fā)酵短桿菌、散枝短桿菌、黃色短桿菌、噬氨短桿菌等。目前國內(nèi)各味精廠所使用的谷氨酸生產(chǎn)菌主要有（1）純齒棒狀桿菌AS1.542及其誘變株B9、B9-17-36、F-263等菌株；（2）天津短桿菌T6

5、13、及其誘變株FM-415、CMTC6282、S9114等菌株；（3）北京棒桿菌AS1.229及其誘變株D110等菌株。</p><p>　　4.1.2 生產(chǎn)原料</p><p>　　谷氨酸生產(chǎn)時發(fā)酵原料的選擇原則[4]：首先考慮菌體生長繁殖的營養(yǎng)；考慮到有利于谷氨酸的大量積累；還要考慮原料豐富，價格便宜；發(fā)酵周期短，產(chǎn)品易提取等因素。目前谷氨酸生產(chǎn)上多采用尿素為氮源，采用分批流加，以

6、生物素為生長因子。國內(nèi)大多數(shù)廠家用淀粉為發(fā)酵原料，主要有玉米、小麥、甘薯、大米等，其中甘薯的淀粉最為常用。少數(shù)廠家用糖蜜為發(fā)酵原料，主要有甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。</p><p>　　4.1.3 培養(yǎng)基制備[5]</p><p>　　斜面培養(yǎng)基：葡萄糖0.1%、牛肉膏0.5%、蛋白胨1.0%、氯化鈉0.5%、瓊脂2.0%、PH7.0~7.2。 </p><p>　　一

7、級種子培養(yǎng)基：葡萄糖2.5%、尿素0.6%、KH2PO4 0.1%、MgSO4?7H2O 0.04%、玉</p><p>　　米.3~3.0ml、pH7.0。</p><p>　　二級種子培養(yǎng)基：水解糖12~14%、尿素0.5~0.8%、玉米漿0.5~0.6ml、KH2PO4 0.1~0.2%、MgSO4?7H2O 0.04%、pH7.0。</p><p>　　發(fā)酵

8、培養(yǎng)基：水解糖12~14、尿素0.5~0.8%、玉米漿0.6ml、MgSO4?7H2O 0.06%、KCl 0.05%、Na2HPO4 0.17%、pH7.0。</p><p>　　4.1.4 味精發(fā)酵生產(chǎn)影響條件</p><p>　?。?）氧，谷氨酸產(chǎn)生菌是好氧菌，通風和攪拌不僅會影響菌種對氮源和碳源的利用率，而且會影響發(fā)酵周期和谷氨酸的合成量。尤其是在發(fā)酵后期，加大通氣量有利于谷氨酸

9、的合成。（2）溫度，菌種生長的最適溫度為30～32℃。當菌體生長到穩(wěn)定期，適當提高溫度有利于產(chǎn)酸，因此，在發(fā)酵后期，可將溫度提高到34～37℃。（3）pH，谷氨酸產(chǎn)生菌發(fā)酵的最適pH在7.0～8.0。但在發(fā)酵過程中，隨著營養(yǎng)物質的利用，代謝產(chǎn)物的積累，培養(yǎng)液的pH會不斷變化。如隨著氮源的利用，放出氨，pH會上升；當糖被利用生成有機酸時，pH會下降。（4）磷酸鹽，它是谷氨酸發(fā)酵過程中必需的，但濃度不能過高，否則會轉向纈氨酸發(fā)酵。發(fā)酵結束后

10、，常用離子交換樹脂法等進行提取。（5）生物素，當生物素缺乏時，菌種生長十分緩慢；當生物素過量時，則轉為乳酸發(fā)酵。因此，一般將生物素控制在亞適量條件下，才能得到高產(chǎn)量的谷氨酸。</p><p>　　4.1.5 味精生產(chǎn)工藝概述[6]</p><p>　　味精生產(chǎn)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(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵；(3)谷氨酸的提取；(4)谷氨酸

11、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(chǎn)廠家一般都設置了糖化車間、發(fā)酵車間、提取車間和精制車間作為主要生產(chǎn)車間。另外，為保障生產(chǎn)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(chǎn)生蒸汽，并通過供氣管路輸送到各個生產(chǎn)需求部位。為保障全廠生產(chǎn)用水，還要設置供水站。所供的水經(jīng)消毒、過濾系統(tǒng)處理，通過供水管路輸送到各個生產(chǎn)需求部位。味精發(fā)酵法生產(chǎn)的總工藝流程</p><p>　　5、發(fā)酵罐主要設計條件

12、（發(fā)酵罐主要部件尺寸的設計計算結果）</p><p>　　5、罐體幾何尺寸的確定、罐體主要部件尺寸的設計計算</p><p>　　5.1發(fā)酵罐主要設計條件及主要技術指標</p><p>　　根據(jù)常識，一個良好的發(fā)酵罐應滿足下列要求：①結構嚴密，經(jīng)得起蒸汽的反復滅菌，內(nèi)壁光滑，耐腐性好，以利于滅菌徹底和減小金屬離子對生物反應的影響；②有良好的氣-液-固接觸和混合性能以

13、及高效的熱量、質量、動量傳遞性能；③在保持生物反應要求的前提下，降低能耗；④有良好的熱量交換性能，以維持生物反應最是溫度；⑤有可行的管道比例和儀表控制，適用于滅菌操作和自動化控制。</p><p>　　5.2罐體選型、幾何尺寸的確定、罐體主要部件尺寸、生產(chǎn)能力的設計計算</p><p>　　5.2.2.1發(fā)酵罐容積的確定：</p><p>　　初步選用公稱容積為10

14、0m3的發(fā)酵罐。</p><p>　　公稱體積 V－－罐的筒身（圓柱）體積和底封頭體積之和</p><p>　　全 體 積V0－－公稱體積和上封頭體積之和。</p><p><b>　　封頭體積近似公式：</b></p><p>　　假設，根據(jù)設計條件發(fā)酵罐的公稱體積藝根據(jù)工參數(shù)和高徑比確定各部幾何尺寸，高徑比H/D=2

15、.5，則H=2.5D</p><p>　　罐體直徑=3885.238675mm</p><p>　　故，罐體總高度為H=2.5x3885.238675=9716.096686mm</p><p>　　取整H=9800mm D=3900mm</p><p>　　圓筒高H0=2D=2x3900=7800mm</p><p&

16、gt;　　封頭高h1=0.25D=0.25x3900=975mm</p><p>　　封頭質邊hb取50mm</p><p>　　故，發(fā)酵罐的容積;（取橢圓形封頭）</p><p>　　=0.785x3900x3900x7800+{（3.14x3900x3900x3900/24+（3.14x3900x3900/4）x0.02)x2}</p><p

17、>　　=93.13083+16.71579</p><p>　　=109.84662m3</p><p>　　此時，H0/D=7800/3900=2，與前面的假設接近</p><p>　　故可認為D=3900mm最合適。</p><p>　　攪拌葉的直徑取Di=1200mm，其中Di/D=1200/3900=0.3符合（Di/D在0.3

18、-0.5間）</p><p>　　攪拌葉間距S=2Di=2x1200=2400mm</p><p>　　攪拌葉至封頭高度C=Di=1200mm </p><p>　　100發(fā)酵罐的幾何尺寸</p><p>　　5.2.3 罐體主要部件尺寸的設計計算</p><p>　　5.2.3.1 罐體</p><

19、;p>　　考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材料，封頭結構、與罐體連接方式。因糖化酶是偏酸性（pH值為4.5），對罐體不會有太大腐蝕，所以罐體和封頭都使用16MnR鋼為材料，封頭設計為標準橢圓封頭，因D>500mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。</p><p>　　5.2.3.2 罐體壁厚</p><p><b>　　8.7，取9mm</b&g

20、t;</p><p>　　D－罐體直徑（mm）p－耐受壓強 (取0.4MPa)</p><p>　　φ － 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8</p><p>　　[σ ]－設計溫度下的許用應力（kgf/c）（16MnR鋼焊接壓力容器許用應力為150℃，170MPa）C －腐蝕裕度，當δ －C<10mm時，C＝3mm</p><p>　　5

21、.2.3.2 罐體壁厚</p><p>　　8.7mm，取9mm</p><p>　　D－罐體直徑（mm）p－耐受壓強 (取0.4MPa)</p><p>　　φ － 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8</p><p>　　[σ ]－設計溫度下的許用應力（kgf/c）（16MnR鋼焊接壓力容器許用應力為150℃，170MPa）C －腐蝕裕度，當δ

22、 －C<10mm時，C＝3mm</p><p>　　5.2.3.4 攪拌器[8]</p><p>　　采用渦輪式攪拌器，選擇攪拌器種類和攪拌器層數(shù)，根據(jù)d確定h和b的值尺寸：六平葉渦輪式攪拌器已標準化，稱為標準型攪拌器；攪動液體的循環(huán)量大，攪拌功率消耗也大；查閱文獻[9]可知100發(fā)酵罐采用6-6-6彎葉式攪拌葉葉徑d=1200mm，則可以計算出</p><p&g

23、t;　　盤徑di=0.65d=0.65x1200780mm，</p><p>　　葉高h=0.3d=360mm</p><p>　　葉長b=0.25d=300mm</p><p>　　5.2.3. 5 儀表接口</p><p>　　溫度計：裝配式熱電阻溫度傳感器Pt100型，開在罐身上；</p><p>　　壓力表：

24、彈簧管壓力表（徑向型），精度2.5，型號：，開在封頭上；</p><p>　　液位計：采用標準： 型號： ，開在罐身上；</p><p>　　溶氧探頭：；pH探頭：型；</p><p>　　5.2.3.6擋板：</p><p>　　本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設擋板。</p><p>　　5.2.3.7 人孔和視鏡

25、[10]</p><p>　　人孔的設置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設備內(nèi)部的裝置。</p><p>　　本次設計只設置了1個人孔，標準號為： 人孔RFⅡ（R·G）450-0.6 HG21522-1995，公稱直徑450，開在頂封頭上，位于左邊軸線離中心軸750mm處</p><p>　　視鏡用于觀察發(fā)酵罐內(nèi)部的情況。本次設計只設置了2視鏡，直徑為DN80

26、，開在頂封頭上，位于前后軸線離中心軸750mm處，標記為視鏡Ⅱ PN1.0 DN80 HGJ501-86-17</p><p>　　5.2.3.8管道接口 （采用法蘭接口）</p><p>　　進料口：直徑，開在封頭上，</p><p>　　排料口：，開在罐底；</p><p>　　進氣口：，開在封頭上；</p><p&g

27、t;　　排氣口：，開在封頭上；</p><p>　　冷卻水進、出口：，開在罐身；</p><p>　　補料口：，開在封頭上；</p><p>　　取樣口：，開在封頭上；</p><p>　　5.2.3.9 其他接管設計</p><p>　　5.2.3.9.1 接管的長度h設計</p><p>

28、;　　各接管的長度h根據(jù)直徑大小和有無保溫層，一般取100~200mm。</p><p>　　5.2.3.9.3 氣管直徑的確定</p><p>　　按通風管計算，壓縮空氣在0.4MPa下，支管氣速為20~25m/s?，F(xiàn)通風比0.1～0.18vvm，為常溫下20℃，0.1MPa下的情況，要折算0.4MPa、30℃ 狀態(tài)。</p><p><b>　　風量

29、Q1取大值</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　利用氣態(tài)方程式計算工作狀態(tài)下的風量Qf</p><p>　　取風速v=20m/s，則風管截面積Ff為</p><p><b>　　則氣管直徑d氣為：</b></p><p>　　取φ4

30、5×4.5mm無縫管，45mm〉36mm,可滿足工藝要求。</p><p>　　5.2.3.9.4 排料時間復核</p><p>　　物料流量Q=0.0068m3/s，流速v=1m/s；</p><p><b>　　管道截面積：</b></p><p>　　在相同的流速下，流過物料因管徑較原來計算結果大，則相

31、應流速比為</p><p><b>　　排料時間：</b></p><p><b>　　6、冷卻裝置設計</b></p><p><b>　　6.1 冷卻方式</b></p><p>　　發(fā)酵罐容量大，罐體的比表面積小。夾套不能滿足冷卻要求，使用蛇管冷卻，綜合比較列管的冷卻效果

32、好，在使用水作冷卻介質時，選用列管。</p><p><b>　　6.3冷卻水耗量</b></p><p>　　由實際情況選用進出口水溫為℃ 、℃，則</p><p><b>　　Q－單位時間傳熱量</b></p><p>　　Cp－冷卻水的平均比熱，取4.186 kJ/ (kg · ℃)

33、 </p><p>　　t2-t1－冷卻水進出口溫度差 </p><p>　　對數(shù)平均溫度差 ，由工藝條件知道=℃，</p><p>　　t1－冷卻水進口溫度</p><p>　　t2－冷卻水出口溫度 </p><p><b>　?。l(fā)酵溫度 </b></p><p>&l

34、t;b>　　設計心得</b></p><p>　　攪拌通風發(fā)酵罐的設計需要綜合各種參數(shù)，是有計劃、有目的，由所需設計的發(fā)酵罐的體積，一步一步計算而來。需要根據(jù)要求設計的年產(chǎn)量及罐的容積填充系數(shù)，發(fā)酵周期計算所需罐數(shù)。</p><p>　　我們通過查閱機械攪拌通風發(fā)酵罐的有關資料，熟悉基本工作原理和特點，進行工藝計算、主要設備工作部件（如罐體、罐體壁厚、封頭壁厚計算、攪拌器

35、、儀表接口、人孔和視鏡、管道接口等）尺寸的設計。為了我們的設計能滿足工藝要求，我們都經(jīng)過多次反復計算及資料核查。盡管如此，由于本人知識有限，實踐經(jīng)驗尚缺，時間限制，我想本設計中仍會不可避免地出一些問題，限于所學知識及實踐能力的缺乏，或許我現(xiàn)在還無法覺察，愿意接受老師的批評與指正。</p><p><b>　　參考文獻及資料</b></p><p>　　[1]張克旭主編

36、;《氨基酸發(fā)酵工藝學》 中國輕工業(yè)出版社</p><p>　　[2]鄭蕓嶺：《世界味精市場及安全性綜述》[J]</p><p>　　[3]發(fā)酵科技通訊》 中國輕工業(yè)出版社</p><p>　　[4]張克旭.氨基酸發(fā)酵工藝學,中國輕工業(yè)出版社,1992:279-280. </p><p>　　[5]周德慶;《微生物學》 高等教育出版社

37、</p><p>　　[6]于信令主編;《味精工業(yè)手冊》 中國輕工業(yè)出版社</p><p>　　[7]吳思方’發(fā)酵工廠工藝設計概論，中國輕工業(yè)出版，1995。</p><p>　　[8]陳乙崇等;《攪拌設備設計》……1988年11月</p><p>　　[9]《材料與零部件》上中下冊 上海人民出版社</p>&