机械搅拌通风发酵罐的设计

目录

1 设计任务书：.................................................. 1 2 设计概述与设计方案简介：.................................... 1 2.1味精生产工艺概述 .......................................... 2 2.2 味精工厂发酵车间的物料衡算................................ 4

2.21 工艺技术指标及基础数据.............................. 4 2.22 谷氨酸发酵车间的物料衡算............................ 3 2.3 机械搅拌通风发酵罐....................................... 3

2.31 通用型发酵的几何尺寸比例............................ 4 2.32 罐体................................................. 4 2.33 搅拌器和挡板......................................... 4 2.34 消泡器............................................... 4 2.35 联轴器及轴承........................................ 5 2.36 变速装置............................................ 5 2.37 空气分布装置......................................... 5 2.38 轴封................................................ 5 2.4 气升式发酵罐.............................................. 5 2.5 自吸式发酵罐.............................................. 5 2.6 高位塔式生物反应器........................................ 6 3 工艺及主要设备、辅助设备的设计计算............................ 6 3.1发酵罐 .................................................... 6

3.11发酵罐的选型 ......................................... 6 3.12生产能力、数量和容积的确定 ........................... 6 3.13 主要尺寸的计算：..................................... 6 3.14冷却面积的计算 ....................................... 7 3.2搅拌器计算 ................................................ 7

3.21搅拌轴功率的计算 ..................................... 8 3.3设备结构的工艺计算 ........................................ 9 3.4 设备材料的选择[10]....................................... 11 3.5发酵罐壁厚的计算 ......................................... 11 3.6接管设计 ................................................. 12 3.7支座选择 ................................................. 12 4设计结果汇总表 ............................................... 13 5 设计评述..................................................... 13 6 参考资料..................................................... 13 致谢........................................................... 14

1 设计任务书：食品发酵工程课程设计任务书

学生姓名 题目 设计基本参数 发酵罐体积：50m 生产能力：年产1万吨味精（99%） 原料：淀粉含量86%的工业淀粉 生产日：全年320天 发酵时间：34-36h，发酵温度：32℃ 发酵冷却水：入口温度:20℃，出口温度: 26℃。 设计要求及内容 1. 设计方案简介：对给定或选定的工艺流程、主要设备的形式进行简要论述。 2. 总物料衡算 3. 发酵罐的主要尺寸计算 4. 搅拌功率及搅拌转速的计算 5. 冷却面积及冷却水用量计算 6. 发酵罐壁厚计算 7. 局部尺寸及辅助设备的确定 8. 编写设计说明书：将设计所选定的工艺流程方案、主要步骤及计算结果汇集成工艺设计说明书。应采用简练、准确的文字图表，实事求是的介绍设计计算过程和结果。设计说明书要求在6000字以上，A4纸打印。 设计说明书内容： （1）封面（课程设计题目、学生班级、姓名、指导教师、时间） （2）目录 （3）设计任务书 （4）概述与设计方案简介 （5）工艺及设备设计计算 （6）辅助设备的计算及选型 （7）设计结果汇总表 （8）设计评述 （9）参考资料 （10）主要符号说明 （11）致谢 各阶段时间安排（以天为单位计算） 1. 设计方案选定：0.5天 2. 主要设备的工艺设计计算：2天 3. 辅助设备的选型：0.5天 3 班级 指导教师 机械搅拌通风发酵罐的设计 4. 编写设计说明书：2天 1

2 设计概述与设计方案简介：

谷氨酸是一种氨基酸, 其用途非常广泛,可用于食品、医学 、化妆品等。谷

氨酸生产，始于1910年日本的味之素公司用水解法生产谷氨酸。1956年日本协和发酵公司分离得到谷氨酸棒杆菌，使发酵法生产谷氨酸成为可能，由于发酵法生产氨基酸具有生产能力大、成本低、设备利用率高等特点，使氨基酸工业得到突飞猛进的发展[1]。我国1958年开始研究，1965年在上海天厨味精厂投产。目前我国谷氨酸的年产量已达170万吨，产销量占世界第一位。经过几十年的发展，在该行业诸多工程人员的努力研究下，使我国谷氨酸生产四大收率指标（糖化收率、发酵糖酸转化率和产酸率、提取收率、精制收率）均达到历史最好水平。其质量已达国际领先水平。但是，在谷氨酸生产中仍然存在原料利用率低，生产成本高，自动化控制水平低，环境污染日趋严重等问题。因此，目前对谷氨酸行业的研究方向主要集中在提高自动化生产程度，改进生产工艺，处理三废，解决环境污染等方面。

谷氨酸发酵是通气发酵[2]，该生产工艺和设备具有很强的典型性，本设计对味精发酵生产工艺及主要设备作简要介绍，以期有助于了解通气发酵工艺和主要设备的有关知识。

2.1味精生产工艺概述

谷氨酸发酵工艺流程图

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

2

统处理，通过供水管路输送到各个生产需求部位[4]。

2.2 味精工厂发酵车间的物料衡算

2.21 工艺技术指标及基础数据

（1）查《发酵工厂工艺设计概论》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 10000（味精） 生产方法 中糖发酵，一次等电点提取 年生产天数 d/a 320 产品日产量 t/d 31.25 产品质量 纯度% 99 倒灌率 % 1.0 发酵周期 h 34～36h

3

发酵初糖 Kg/m 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 味精对谷氨酸率 % 112

2.22 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

V1?1000??150?48%?80%?99%?112%??15.66m3

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，

G1?V1?150?2349(kg)

（3）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为：

G=2349/(86%×95%×111%)=2590.2kg

式中 86%——淀粉原料含纯淀粉量 95%——淀粉糖转化率

2.3 机械搅拌通风发酵罐

3

机械搅拌发酵是目前使用最多的一种发酵罐，使用性好、适应性好、放大容易，从小型直至大型的微生物培养过程都可以应用。缺点：罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。 2.31 通用型发酵的几何尺寸比例

H/D＝2.5-4

公称体积：罐的圆柱体积和底封头体积的和。 2.32 罐体

要求罐体设计的使用压力达到0.3MPa以上。小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔用于清洗和配料。 2.33 搅拌器和挡板

搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动，其作用为混合和传质，它使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气－液界面，获得所需的溶氧速率，并使细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气－液－固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。

搅拌叶轮大多采用涡轮式，涡轮式搅拌器的叶片有平叶片、弯叶片、箭叶式三种。平叶式功率消耗较大，弯叶式较小，箭叶式又次之。涡轮式搅拌器轴向混合较差，搅拌强度随搅拌轴距离增大而减弱。此外还有其他新型搅拌器：Scaba搅拌器其叶片的特殊形状消除了叶片后面的气穴，从而使通气功率下降较小，因此可将电机的设计功率几乎全部用于气-液分散及传质。Prochem轴向流搅拌器，其通气功率下降较小。Lightnin公司的A315轴向流桨，比较适合高粘度非牛顿物系。Intermig搅拌器有较低功率准数，通气功率值较小，在黄原胶发酵中有较好的混合性能，但存在不稳定性问题。

挡板：防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍流和溶氧传质。挡板的高度自罐底起至设计的液面高度止。

全挡板条件：在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失。 2.34 消泡器

（1）罐内机械消泡，耙式消泡桨

（2）旋转圆板式消泡装置：设在发酵罐内的气相中，与发酵液的液面保持平行。圆板旋转的同时将槽内发酵液注入圆板的中央，通过离心力将破碎成微小泡沫散向槽壁，达到消泡的目的。

（3）液体吹入式机械消泡：把空气及空气与发酵液吹入发酵罐中形成的泡沫层来进行消泡

（4）气体吹入管内吸引消泡：将发酵内形成气泡群吸引到气体吸入管，利用气体流速进行消泡。该装置中在靠近吸入口附近的气体吸入管内形成增速用的喷头，而吸入管用来连接液面上部与增速喷头的负压部位。

（5）冲击反射板机械消泡：把气体吹入液面上部，通过在液面上部设置的冲击反射，吹回到液面，而将液面上产生的泡沫击碎的方法。

（6）超声波消泡：将空气在1.5－3.0Mpa下，以1－2m/s的速度由喷嘴喷入共振室而起消泡的作用。该法目前仅适用于小型发酵过程的消泡，而不适合于大规模工业发酵的消泡。

（7）碟片式消泡器的机械消泡：使用时将消泡器安装于发酵的罐顶，使碟片位于罐顶的空间内，用固定法与排气口相连接，当高速旋转时进入碟片间的空气中的气泡被打碎同时甩出液滴，返回发酵罐中，而被分离后的气体由空心轴径

4

V——冷却水流速，v=1m/s 代入上式：

S总=0.0216/1=0.0216m2

进水总管直径 ：

d 总2=S总/0.785 d 总=0.166m

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=12，求管径。由上式得：

d02 = S总/0.785n

d0=0.045m

查金属材料表选取φ57×3.5mm无缝管[9]，d内=50mm g=4.62kg/m，d内＞d0 ，认为可满足要求，d平均=54mm。

现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为0：

l0??D?3.14?500?1570?mml?

Ⅲ 冷却管总长度L计算：由前知冷却管总面积

F?107.1m2

现取无缝钢管φ57×3.5mm，每米长冷却面积为

F0?3.14?0.054?1?0.17m??

2则:

L?FF0?107.10.17?630m

冷却管占有体积：

V?0.785?0.057?630?1.6m23

Ⅳ 每组管长L0和管组高度：

L0?Ln?63012?52.5m

另需连接管8m：

L实?L?8?630?8?638m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

3

V总 =V液+V管+V附件=77.6+1.6+0.5=80 m

则筒体部分液深为：

(V总–V封)/S=(44.36-4)/(0.785×33)=5.7m

竖式蛇管总高

H管=5.7+0.25=6.0m

10

又两端弯管总长l0?1570mm，两端弯管总高为500 mm， 则直管部分高度：

h= H管-500=6000-500=5500 mm

则一圈管长：

l=2h+l0=2×5500+1570=12570 mm

Ⅴ 每组管子圈数n0：

n0= L0/l =42.8/12.6=4圈 现取管间距为2.5D外?2.5?0.057?0.14?m?，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：

F实??d平均?L实?3.14?0.054?638?108.17m

2而前有F=107.1m2，F实?F，可满足要求。

3.4 设备材料的选择[10]

选用A3钢制作，以降低设备费用。

3.5发酵罐壁厚的计算

①计算法确定发酵罐的壁厚S

S?PQ2?????P?C （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=400 cm [?]——A3钢的应用应力，〔?〕=127MPa φ——焊接缝隙， φ=0.7 C——壁厚附加量（cm）

C?C1?C2?C3

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

C?0.8?2?0?2.8?mm??0.28?cm?

S=0.4×400/（2×127×0.7-0.4）+0.28=1.2 cm

选用10mm厚A3钢板制作。

[5]

②封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下：

S?PQ2?????P?C （cm）

式中 P=0.4MPa

11

D=300cm

[?]=127MPa

C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm） φ=0.7

S?0.4?4002?127?0.7?0.4?0.38?1.28(cm)

3.6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77.6m3，设2h之内排空，则物料体积流量

3

Q=77.6/(3600×2)=0.0108m /s

发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物

F物=Q/v=0.0108/1 =0.011m2

F物?0.785d

2管径：

d=0.118m

取无缝管φ133×4mm，125mm 〉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，Q1=77.6×0.18=14 m3 /min=3m3 /s

利用气态方程式计算工作状态下的风量Qf[8]

Qf=0.13×0.1/0.35×(273+30)/(273+20)=0.068m3 /s

取风速v=25m/s，则风管截面积Ff为

Ff= Qf /v=0.068/25=0.0027㎡

Ff?0.785d气

2则气管直径d气为：

d气=0.06m

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=0.00108m3/s，流速v=1m/s； 管道截面积：

F?0.785?0.1252?0.123(m)2，

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

P=Q/Fv=0.0108/(0.123×1)=0.88倍

排料时间：

t=2×0.88=1.8h

3.7支座选择

选用裙式支座

12

4设计结果汇总表

参数 消耗淀粉原料量 发酵罐容积 发酵罐个数 罐高 直径 封头高 冷却面积 搅拌器 搅拌抽功率 电功率 数据 2590.2kg 50 m3 20个 4m 2m 550mm 107.1㎡ 六弯叶涡轮搅拌器 144kw(不通气) 116.1kw(通风) 131.2kw 参数 数据 空气分布器 单管进风管径φ108×4mm 冷却管布置 竖式蛇管（不设挡板） 进水管管径 0.166m 冷却管 Φ57×3.5mm无缝管 （组数为8） 冷却管总长度 630m 设备材料 A3钢 发酵罐壁厚 1.2mm 封头壁厚 1.28mm 接管 无缝管φ133×4mm 支座 裙式支座 5 设计评述

选择机械涡轮搅拌通风发酵罐，由于产品是味精，所以填充系数是0.6~0.8，

根据计算，选择0.7富裕量最合适。

H=6m，所以选择ha=750mm,hb=50mm。

由于算得Re符合湍流的情况，所以Np选择4.7。

本设计选择φ57×3.5mm无缝管，即可算得d内＞d0。符合设计要求。 最终算得P=0.88倍，符合设计要求。 设计结果见于汇总表。设计过程中综合考虑各方面问题：发酵罐的基本结构，搅拌转速高低的影响，挡板条件，消泡方式的选择等等。最终各项指标的确定能够顺利完成规定任务且做到经济高效。

6 参考资料

[1]张克旭．氨基酸发酵工艺学，中国轻工业出版社，1992：279-280。 [2]张启先．我国发酵工业发展现伏与对策科技导报，1992（2）：44-45。 [3]高孔荣．发酵设备，中国轻工业出版社，1991：1-5。

[4]王旭 禹郑超．味精发酵生产工艺及其主要设备，高等函授学报（自然科 学版），1995（4）：45-48。 [5]吴思方．发酵工厂工艺设计概论，中国轻工业出版，1995。 [6]梁世中．生物工程设备，中国轻工业出版社，2002。 [7]黎润钟．发酵工厂设备，中国轻工业出版社，1991。 [8]姚玉英．化工原理，天津大学出版社，1999。

[9]国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，1996。 [10]华南工学院，发酵工程与设备，北京轻工业出版社，1981。 [11]何铭新等．机械制图，高等教育出版社，1997。 [12]何铭新等．建筑制图 高等教育出版社，1994。

[13]华东理工大学 浙江大学，生物工程(技术)专业英语，化学工业出版社，1999。 [14]许赣荣．发酵生物技术专业英语，中国轻工业出版社，2004。 [15]英汉生物化学词典，科 学出版社，1983。

主要符号说明

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H--------罐高 C3---------- 加工减薄量

P--------设计压力 Ff----------风管截面积 D--------发酵罐直径 t------------排料时间 η2--------滚动轴承 L-----------冷却管长度 η3---------滑动轴承 P----------功率内径 S---------发酵罐壁厚 w---------耗水量 t2---------冷却水终温 t1---------冷却水初温 η1---------三角带传动 H封------封头高 △tm------平均温差 D-----------直径

C------------壁厚附加量（cm） C1----------钢板负偏差

C2----------为腐蚀余量

d气---------气管直径 F------------管道截面积 Q------------物料流量 H管--------管高 L0-----------每组管长 d0-----------管径 ρ-------------醪液密度 Y-------------叶距 B------------叶宽 N-----------轴转速

P0----------不通风时搅拌轴功率 Np----------在湍流搅拌状态时其值为常数4.7

φ---------焊接缝隙 n-------------组数

致谢

生命科学学院食品工程系在教学计划中安排该课程设计，通过本次课程设计，对发酵罐原理有了较充分的认识，数据的处理以及原理的相关性使得我考虑问题更加全面性，文字的处理让我对于排版编辑有了初步的锻炼，计算能力以及利用办公软件应用能力也有所提高。

再次，感谢本次课程设计给予我的锻炼机会，同时感谢老师给予的建议及讲解，以及那些相关文献的作者们。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/atfa.html