味精工厂发酵车间的物料衡算

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t/a 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% 48 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： 2.1.3 15000t/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 1.17×105 二级种培养用糖（kg）7.83 1.18×105 391.5 水解糖总量（kg）2356.8 3.53×107 1.18×105 淀粉(kg) 2793.7 4.19×107 1.40×105 尿素（或液氨）627.5 9.41×106 3.14×104 糖蜜（kg）69.9 1.05×106 3495 氯化钾（kg）12.53 1.88×105 626.5 磷酸氢二钠（kg）3.13 4.70×104 156.5 硫酸镁（kg）9.58 1.44×105 479 泡敌（kg）9.4 1.40×105 470 植物油（kg）23.5 3.53×105 1175 谷氨酸（kg）893 1.34×107 44650 表2 15000t/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230 m3

取公称体积200 m3 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=4.18×500 kJ/(m3?h?℃) [8]。 平均温差Δtm： 32℃32℃ 20℃27℃ 12 5 代入

对公称容量200 m3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=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：

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=4.9×106

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 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=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： （cm） 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：D=2：1，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4.6 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：

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：

Ⅴ核算夹套冷却面积：按静止液深确定夹套高度： 静止液体浸没筒体高度： 液深：

夹套可能实现的冷却面积为封头表标面积S封与圆筒被液体浸没的筒体为表面积S筒之和：

夹套高度应不高于动态时的液面高度，因高于液面的传热面积，并没有起多少冷却作用。

综上，传热需要的面积F=12.1(m2)

该设计夹套能提供的冷却面积为S夹=13.6 m2 S夹〉F，可满足工艺要求。 ⑤设备材料的选择采用A3钢制作 ⑥壁厚计算 Ⅰ夹套内罐的壁厚

式中D——设备的公称直径，140cm

m——外压容器的稳定系数，与设备的起始椭圆度有关，在我国，m=3

P——设计压力，与水压有关，P=0.4MPa

E——金属材料的弹性模量[9]，对A3钢E=2×105MPa C——壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18 L——筒体长度，L=110cm 将数值代入公式： 取9mm

Ⅱ封头的厚度δ封：查《发酵工厂工艺设计概论》P317表16 碳

钢椭圆封头最大需用内部压力

i 对于上封头，取δ封=6mm ii 对于下封头，取δ封=8mm

Ⅲ冷却外套壁厚：查《发酵工厂工艺设计概论》P314表13 碳钢与普低钢制内压圆筒壁厚，确定δ套=5mm Ⅳ外套封头壁厚：查《发酵工厂工艺设计概论》P316表15 椭圆形封头（JBH54—73），确定δ套封=6mm

⑦设备结构的工艺设计 Ⅰ挡板：根据全挡板条件，

式中B——挡板宽度B＝（0.1-0.12）D=0.1×1400=140mm D——罐径D＝1400mm Z——挡板数： 取Z＝6块

Ⅱ搅拌器：采用六弯叶涡轮搅拌器 直径： Di＝0.3~0.35D 现取： 叶片宽度： 弧长： 盘径： 叶弦长： 搅拌器间距： 底距：

搅拌器转速N2，根据50L罐，470r/min，使用P0/V为基准放大[6]，50L 罐N1＝470r/min，

搅拌器直径Di=112mm 两挡搅拌。 Ⅲ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。 i 计算Rem[8]

式中D——搅拌器直径，D=0.49m 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 ii 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=176r/min=2.93r/s D——搅拌器直径，D=0.49m

ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m3代入上式： 两挡搅拌

iii 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=176r/min

D——搅拌器直径（cm），D3=0.493×106=1.12×105

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=3.1×0.11×106=3.41×105（ml/min） 代入上式：

iv 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%；代入公式数

值得：

Ⅳ进风管：该管距罐底25~60mm之间，现取30mm向下单管。 通风管管径计算：设罐压0.4MPa，发酵温度t=32℃，风速v=20m/s，通风量为0.18VVm，

常压下t0=20℃，送风量V为：

将通风换算成工作状态，求通风管直径d1

圆整，查《发酵工厂工艺设计概论》，P313表12，无缝钢管(YB231-70)，管径采用25×3mm ,内径25-2×3=19

mm大于12 mm，可满足生产要求。

Ⅵ进出物料管：该管为物料进口，管底距罐底25~60mm之间，现取30mm向下单管。

按输送物料算：20min送完3.1m3物料 则物料流量为

管道截面为F，物料流速为v=0.5~1m/s，现取v=0.5m/s，则： 设管径为：

圆整，查《发酵工厂工艺设计概论》，P313表12，无缝钢管(YB231-70)，管径采用108×4mm ,内径

108-2×4=100 mm大于80 mm，可满足生产要求。 Ⅶ冷却水管：由前知需冷却热量，冷却水温变化 23℃27℃， 水比热容 则耗水量W为：

取水流速v=4m/s；则冷却管直径为 ⑧支座选型选用支撑式支座 （2）一级种子罐 ①一级种子罐的选型 选用机械搅拌通风发酵罐 ②一级种子罐容积和数量的确定

种子罐容积的确定：接种量按2%计算，则种子罐容积V种1为 故选用公称体积为100L的发酵罐，发酵罐的主要尺寸为：罐内径400mm，圆柱高800mm，封头高125mm，罐体总高1050mm，封头容积11.5L，圆柱部分容积100L，不计上封头的容积112L，全容积123L，搅拌

桨直径135mm。冷却选用夹套冷却[10]。

一级种子罐个数的确定：一级种子罐与二级种子罐对应上料。二

级种子罐平均每天上5罐，需一级种子罐6个。种子罐培养8h，辅助操作时间8~10h，生产周期16~18h，因此，一级种子罐6个已足够，其中一

个备用。

2.2.3 空气分过滤器

（1）二级种子罐分过滤器： 二级分过滤器风量的计算：

查《生物工程设备》P389 表3-1-9 JLS-D型空气过滤器技术特性，选用JLS-D-025型空气过滤器，过滤能力0.25m3/min，外型尺寸φ75×520mm, 重量5kg，进出口管径φ20×20，与种子罐进风口不一致，可采用法兰变径即可。过滤能力0.25m3/min大于0.144m3/min，能满足生产要求。数量与二级种子罐数量

一致，共6只。

（2）一级种子罐分过滤器： 一级分过滤器风量的计算：

查《生物工程设备》P389 表3-1-9 JLS-D型空气过滤器技术特性，选用JLS-D-001型空气过滤器，过滤能力0.01m3/min，外型尺寸φ22×150mm, 重量0.2kg，进出口管径φ6×1，与种子罐进风口不一致，可采用法兰变径即可。过滤能力0.01m3/min大于0.0043m3/min，能满足生产要求。数量与一级种子罐数量一

致，共6只。 （3）发酵罐分过滤器 ①分过滤器滤层直径计算：

式中V——通过发酵罐分过滤器的空气流量（0.4MPa下） Vs——通过分过滤器的气速，现取0.2m/s 则

②分过滤器直径： 。 现取：

查金属材料表，选无缝钢管，或用钢板卷制。圆整倒推荐值：

D过滤器=1200mm

③分过滤器的壁厚：设计压力P=0.5MPa 取S=6mm。

④进出气管：进出气管直径可取与设备通风管一致，即φ133×4无缝管

⑤数量：分过滤器与发酵罐相配合，每罐一个，共需11台。 ⑥滤层厚度：同种子罐，分过滤器5~6层超细玻璃纤维滤纸，经树脂处理过使用。

⑦分过滤器高度：

2.2.4 味精厂发酵车间设备一览表 味精发酵车间设备见表3

表3 15000t/a味精厂发酵车间设备一览表 位号设备名称台数规格与型号材料备注

F301-311 发酵罐11 φ5000×10000mm A3钢专业设备 F321-326 二级种子罐6 φ1400×2800mm A3钢专业设备 F331-336 一级种子罐6 φ400×800mm A3钢专业设备 R301-311 发酵罐分过滤器11 φ1200×1800mm A3钢专业设备R321-326 种子罐分过滤器6 φ75×520mm A3钢专业设备

R331-336 种子罐分过滤器6 φ22×150mm A3钢专业设备