年产1.5万吨味精发酵车间设计说明书Word文档格式.doc
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等电点调节
干燥
大结晶
母液
小结晶
粗谷氨酸
拌盐粉碎
成品味精
粉状味精
离子交换处理
溶解
粗谷氨酸溶液
中和制味精
图1味精生产总工艺流程图
1.2原料预处理及淀粉水解糖制备
1.2.1原料的预处理
此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构,以便提高原料的利用率,同时去除固体杂质,防止机器磨损。
用于除杂的设备为筛选机,常用的是振动筛和转筒筛,其中振动筛结构较为简单,使用方便。
用于原料粉碎的设备除盘磨机外,还有锤式粉碎机和辊式粉碎机。
盘磨机广泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物料,而锤式粉碎机应用于薯干等脆性原料的中碎和细碎作用,辊式粉碎机主要用于粒状物料的中碎和细碎[3]。
1.2.2淀粉水解糖制备
在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化,所制得的糖液称为淀粉水解糖。
由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源,因而必须将淀粉水解为葡萄糖,才能供发酵使用。
目前,国内许多味精厂采用双酶法制糖工艺。
1.3种子扩大培养及谷氨酸发酵
种子扩大培养为保证谷氨酸发酵过程所需的大量种子,发酵车间内设置有种子站,完成生产菌种的扩大培养任务。
从试管斜面出发,经活化培养,摇瓶培养,扩大至一级乃至二级种子罐培养,最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子。
谷氨酸发酵开始前,首先必须配制发酵培养基,并对其作高温短时灭菌处理。
用于灭菌的工艺除采用连消塔—维持罐一喷淋冷却系统外,还可采用喷射加热器—维持管—真空冷却系统或薄板换热器灭菌系统。
但由于糖液粘度较大,流动性差,容易将维持管堵塞,同时真空冷却器及薄板加热器的加工制造成本较高,因而应用较少。
发酵设备,国内味精厂大多采用机械搅拌通风通用式发酵罐,罐体大小在50m3到200m3之间。
对于发酵过程采用人工控制,检测仪表不能及时反映罐内参数变化,因而发酵进程表现出波动性,产酸率不稳定。
由于谷氨酸发酵为通风发酵过程,需供给无菌空气,所以发酵车间还有一套空气过滤除菌及供给系统。
首先由高空采气塔采集高空洁净空气,经空气压缩机压缩后导入冷凝器、油水分离器两级处理,再送入贮气罐,进而经焦炭、瓷环填充的主过滤器和纤维分过滤器除菌后,送至发酵罐使用。
在北方地区由于空气湿度小、温度低,还可采用空气压缩、冷却过滤流程,省去一级冷却设备[4]。
1.4谷氨酸的提取
谷氨酸的提取一般采用等电点—离子交换法,国内有些味精厂还采用等电点—锌盐法、盐酸水解—等电点法及离子交换膜电渗析法提取谷氨酸。
但存在废水污染大,生产成本高,技术难度大等问题,应用上受到限制[1]。
1.5谷氨酸制取味精及味精成品加工
精制车间加工的谷氨酸产品为谷氨酸单钠,即味精。
粗品经提纯、加工、包装,得到成品。
味精中和液的脱色过程,除使用碳柱外,还可使用离子交换柱,利用离子交换树脂的吸附色素。
味精的干燥过程,国内许多厂家还采用箱式烘房干燥,设备简单,投资低,但操作条件差,生产效率低,不适应大规模生产的要求。
也有的厂家使用气流干燥技术,生产量大,干燥速度快,干燥时间短,但干燥过程对味精光泽和外形有影响,同时厂房建筑要求较高,这样均不如振动式干燥床应用效果好[4]。
2发酵罐及种子罐的设计与选型
2.1味精工厂发酵车间的物料衡算
2.1.1工艺技术指标及基础数据
(1)查《发酵工厂工艺设计概论》P326表3味精行业国家企业标准[5],选用主要指标如表1
表1味精发酵工艺技术指标
指标名称
单位
指标数
生产规模
t/a
15000(味精)
生产方法
中糖发酵,一次等电点提取
年生产天数
d/a
300
产品日产量
50
产品质量
纯度%
99
倒灌率
%
1.0
发酵周期
h
48
发酵初糖
Kg/m3
150
淀粉糖转化率
95
糖酸转化率
麸酸谷氨酸含量
90
谷氨酸提取率
80
味精对谷氨酸产率
112
(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25,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,硫酸镁0.002,硫酸亚铁0.002。
(4)发酵培养基(g/L)水解糖150,糖蜜4,硫酸镁0.6,氯化钾0.8,磷酸氢二钠0.2,硫酸亚铁0.002,硫酸锰0.002,尿素(总尿)40,泡敌0.6,植物油1.0。
(5)接种量为2%。
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150——发酵培养基初糖浓度(kg/m3)
48%——糖酸转化率
80%——谷氨酸提取率
99%——除去倒灌率1%后的发酵成功率
112%——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25——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,故理论上耗用的淀粉量G淀粉为:
式中80%——淀粉原料含纯淀粉量
95%——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627.5kg
(8)甘蔗糖蜜耗用量
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69.9kg
(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)植物油耗用量G6
(14)谷氨酸(麸酸)量
发酵液谷氨酸含量为:
实际生产的谷氨酸(提取率80%)为:
2.1.315000t/a味精厂发酵车间的物料衡算结果
由上述生产1000kg味精(100%纯度)的物料衡算结果,可求得15000t/a味精厂发酵车间的物料平衡计算。
具体计算结果如表2
物料名称
生产1t味精(100%)的物料量
15000t/a味精生产的物料量
每日物料量
发酵液(m3)
15.66
2.35×
105
783
二级种液(m3)
0.313
4695
15.65
发酵水解用糖(kg)
2349
3.52×
107
1.17×
二级种培养用糖(kg)
7.83
1.18×
391.5
水解糖总量(kg)
2356.8
3.53×
淀粉(kg)
2793.7
4.19×
1.40×
尿素(或液氨)
627.5
9.41×
106
3.14×
104
糖蜜(kg)
69.9
1.05×
3495
氯化钾(kg)
12.53
1.88×
626.5
磷酸氢二钠(kg)
3.13
4.70×
156.5
硫酸镁(kg)
9.58
1.44×
479
泡敌(kg)
9.4
470
植物油(kg)
23.5
1175
谷氨酸(kg)
893
1.34×
44650
表215000t/a味精厂发酵车间的物料衡算
2.2设备设计与选型
2.2.1发酵罐
(1)发酵罐的选型
选用机械涡轮搅拌通风发酵罐
(2)生产能力、数量和容积的确定
①发酵罐容积的确定:
选用200m3罐
②生产能力的计算:
现每天生产99%纯度的味精50t,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。
每天产纯度为99%的味精50t,每吨100%的味精需糖液15.66m3
设发酵罐的填充系数φ=70%;
则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V0(发酵周期为48h)。
③发酵罐个数的确定:
公称体积为200m3的发酵罐,总体积为230m3
取公称体积200m3发酵罐11个,其中一个留作备用。
实际产量验算:
富裕量
能满足产量要求
(3)主要尺寸的计算:
取高径比H:
D=2:
1[6]
则有:
H=2D;
解方程得:
取D=5m
H=2D=10m;
封头高:
封头容积:
V封=16.4(m3)
圆柱部分容积:
V筒=197m3
验算全容积V全:
V全=V’全
符合设计要求,可行。
(4)冷却面积的计算
对谷氨酸发酵,每1m3发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为4.18×
6000kJ/(m3·
h)[5]。
采用竖式蛇管换热器,取经验值K=4.18×
500kJ/(m3·
h·
℃)[8]。
平均温差Δtm:
32℃32℃
20℃27℃
125
代入
对公称容量200m3的发酵罐,每天装5罐,每罐实际装液量为
换热面积
(5)搅拌器计算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
搅拌器叶径
取d=1.7(m)
叶宽:
弧长:
底距:
盘踞:
叶弦长:
叶距:
弯叶板厚:
δ=12(mm)
取两挡搅拌,搅拌转速N2可根据50m3罐,搅拌直径1.05m,转速N1=110r/min。
以等P0/V为基准[6]放大求得:
(6)搅拌轴功率的计算
淀粉水解糖液低浓度细菌醪,可视为牛顿流体。
①计算Rem[8]
式中D——搅拌器直径,D=1.7m
N——搅拌器转速,
ρ——醪液密度,ρ=1050kg/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:
式中Np——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7
N——搅拌转速,N=80r/min=1.33r/s
D——搅拌器直径,D=1.7m
ρ——醪液密度,ρ=1050kg/m3代入上式:
两挡搅拌:
③计算通风时的轴功率Pg
式中P0——不通风时搅拌轴功率(kW),
N——轴转速,N=80r/min
D——搅拌器直径(cm),D3=1.73×
106=4.9×
Q——通风量(ml/min),设通风比VVm=0.11~0.18,取低限,如通风量变大,Pg会小,为安全。
现取0.11;
则Q=155×
0.11×
106=1.7×
107(ml/min)
代入上式:
④求电机功率P电:
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%[7];
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φ133×
4mm。
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[7]
Ⅰ最高负荷下的耗水量W
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3.69×
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=3.69×
10-2m3/s
V——冷却水流速,v=1m/s
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=8,求管径。
由上式得:
查金属材料表选取φ89×
4mm无缝管[9],,,认为可满足要求,。
现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为300mm,则两直管距离为600mm,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φ89×
4mm,每米长冷却面积为
则:
冷却管占有体积:
Ⅳ每组管长L0和管组高度:
另需连接管8m:
可排竖式直蛇管的高度,设为静液面高度,下部可伸入封头250mm。
设发酵罐内附件占有体积为0.5m3,则:
总占有体积为
则筒体部分液深为:
竖式蛇管总高
又两端弯管总长,两端弯管总高为600mm,
则直管部分高度:
则一圈管长:
Ⅴ每组管子圈数n0:
现取管间距为,竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m,则可计算出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:
而前有F=232.5m2,,可满足要求。
(8)设备材料的选择[10]
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
(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=500cm
〔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——钢板负偏差,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14mm厚A3钢板制作。
②封头壁厚计算:
标准椭圆封头的厚度计算公式[5]如下:
式中P=0.4MPa
D=500cm
〔σ〕=127MPa
C=0.08+0.2+0.1=0.38(cm)
φ=0.7
(10)接管设计
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。
②接管直径的确定:
按排料管计算:
该罐实装醪量155m3,设4h之内排空,则物料体积流量
发酵醪流速取v=1m/s;
则排料管截面积为F物。
管径:
取无缝管φ133×
4mm,125.mm〉118mm,认为合适。
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,。
利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf[8]
取风速v=25m/s,则风管截面积Ff为
则气管直径d气为:
因通风管也是排料管,故取两者的大值。
取φ133×
4mm无缝管,可满足工艺要求。
排料时间复核:
物料流量Q=0.0108m3/s,流速v=1m/s;
管道截面积:
,
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
排料时间:
(11)支座选择选用裙式支座
2.2.2种子罐
发酵所需的种子从试管斜面出发,经活化培养,摇瓶培养,扩大至一级乃至二级种子罐培养,最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子。
种子罐冷却方式采用夹套冷却。
(1)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2%计算,则种子罐容积V种2为:
式中V总——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5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,其中一个备用。
③主要尺寸的确定种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。
H:
1,则种子罐总容积量V'
总为:
简化方程如下:
整理后
解方程得
D=1.4m
则
H=2D=2×
1.4=2.8(m)
查得封头高H'
封
罐体总高H'
罐:
单个封头容量:
V'
封=0.398(m3)
封头表面积:
S封=2.23m2
圆筒容量:
不计上封头容积:
校核种子罐总容积V'
总:
比需要的种子罐容积4.6m3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:
现取K=4.18×
220kJ/(m2·
℃)
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
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- 年产 1.5 味精 发酵 车间 设计 说明书