年产1.8万吨柠檬酸工厂发酵车间设计

合 肥 学 院

Hefei University

《发酵工程及设备》

课程设计

题 目: 年产1.8万吨柠檬酸工厂发酵车间设计

系 别:

专 业:

学 号:

姓 名:

指导教师:

2015年12月8日

工程应用模块——《发酵工程及设备》课程设计任务书Ⅱ

1.设计题目：年产 1.8万吨柠檬酸工厂发酵车间设计（第2组）

2.生产基础数据

以薯干为原料，双酶糖化，全年生产300天，发酵周期75h。

生产基础数据

3．设计内容：

（1）根据以上设计任务。查阅有关资料、文献、搜集必要的技术资料，计算并确定种子罐、发酵罐的体积、基本几何尺寸及其个数；计算发酵车间面积，并按要求合理布局发酵车间中的设备。

（2）重点设备（发酵罐）整体结构设计及计算，并设计发酵罐各管口的公称直径（出料口、进气口、尾气口、冷凝水进（出）口、温度计插口、人孔、视镜、pH电极插口、备用口等）。

4．设计要求：

（1）根据以上设计内容，书写设计说明书。

（2）绘制搅拌式生物反应器简易装配图（1号图纸）。

（3）发酵车间平、立面布置图（1号图纸）。

目录

工程应用模块——《发酵工程及设备》课程设计任务书Ⅱ.................. 1

一．绪论............................................................ 5

1.1柠檬酸的简介 .................................................... 5

1.1.1名称 ...................................................... 5

1.1.2 柠檬酸的理化性质.......................................... 5

1.2柠檬酸的用途 .................................................... 6

1.2.1柠檬酸在食品工业上的应用 .................................. 6

1.2.2柠檬酸在药物、美容品、化妆品上的应用 ...................... 6

1.2.3柠檬酸在工业上的应用 ...................................... 6

1.3柠檬酸的来源和发展情况 .......................................... 6

1.4市场需求预测 .................................................... 7

1.4.1国际市场预测 .............................................. 7

1.4.2国内市场分析 .............................................. 7

二．柠檬酸生产工艺的选择及论证...................................... 8

2.1原料和预处理 .................................................... 8

2.1.1原料 ...................................................... 8

2.1.2原料的预处理 .............................................. 8

2.2蒸煮糖化工艺及论证 .............................................. 9

2.2.1蒸煮的目的 ................................................ 9

2.2.2粉浆的预煮 ................................................ 9

2.2.3糖化 ...................................................... 9

2.3发酵方式的选择及论证 ........................................... 10

2.4分离纯化 ....................................................... 12

三．工艺技术指标及基础数据......................................... 15

3.1 发酵罐台数和公称体积的计算..................................... 15

3.1.1 根据年产量计算每批次发酵液体积V1 ........................ 15

3.1.2 发酵罐的个数............................................. 15

3.2 种子罐的台数与公称体积的计算................................... 15

3.2.1二级种子罐的计算 ......................................... 15

3.2.2一级种子罐的计算 ......................................... 15

四．设备选型....................................................... 17

4.1 发酵罐......................................................... 17

4.1.1发酵罐的选型 ............................................. 17

4.1.2 发酵罐尺寸的计算及验算................................... 17

4.1.3罐体主要部件尺寸的设计计算 ............................... 17

4.1.4发酵罐搅拌装置及轴功率计算 ............................... 18

4.1.5轴封的计算 ............................................... 21

4.1.6轴承选型 ................................................. 22

4.1.7联轴节 ................................................... 22

4.1.8挡板 ..................................................... 22

4.1.9支座 ..................................................... 22

4.1.10冷却装置计算 ............................................ 23

4.1.11管道计算 ................................................ 25

4.1.12管道接口 （采用法兰接口） ............................... 26

4.1.13仪表接口 ................................................ 26

4.1.14人孔和视镜 .............................................. 27

4.2二级种子罐选型 ................................................. 27

4.3一级种子罐选型 ................................................. 27

五、发酵车间设备布置............................................... 28

5.1发酵车间楼层的确定 ............................................. 28

5.2发酵车间总面积的确定 ........................................... 29

5.3其他布局的确定 ................................................. 29

六．总结和设计评述................................................. 29

参考文献........................................................... 30

致 谢............................................................ 31

年产1.8万吨柠檬酸工厂发酵车间设计

摘要：本次设计主要是进行年产18000吨柠檬酸工厂发酵车间设计。在生产流程中，采用液体深层发酵技术进行柠檬酸发酵的生产，全年产量为1.8万吨，每年生产300天，每日生产60吨。计算方面主要计算了种子罐、发酵罐的体积、基本几何尺寸及其个数和发酵车间面积并设计发酵罐各管口的公称直径。同时对柠檬酸进行简介，对主要工艺进行论证。使得本次的设计具有一定的意义。 关键词：薯干 黑曲霉 深层好氧发酵 柠檬酸 工艺论证 发酵罐种子罐发酵车间面积

一．绪论

1.1柠檬酸的简介

1.1.1名称

柠檬酸，是一种重要的有机酸，又名枸橼酸。化学名称：2-羟基-1,2,3-已三酸结构式为：

OH

│

HOOC─CH2─C─CH2─COOH

│

COOH

1.1.2 柠檬酸的理化性质

柠檬酸是无色半透明晶体或白色结晶性粉末，无臭，有强烈的令人愉快的酸味，其在温暖空气中渐渐风化，在潮湿空气中有潮解性。根据结晶条件不同，它的结晶形态有无水柠檬酸和含结晶水柠檬酸。商品柠檬酸主要是无水柠檬酸

(C6H8O7)和异柠檬酸(C6H8O7·H2O)。异柠檬酸由低温(低于36.6℃)的水溶液中结晶析出，经分离干燥后的产品，分子量210.14，熔点70—75℃，密度1.542。放置在干燥的空气中，异柠檬酸中的结晶水会逸出风化。无水柠檬酸是在高于36.6℃的水溶液中结晶析出的，分子量192.12，密度1.665。异柠檬酸转变为无水柠檬酸的临界温度为36.6士0.15℃。

柠檬酸(citric acid)，学名2-羟基丙烷三羧酸，分子式C6H8O7。为无色透明斜方晶系晶体颗粒，或白色结晶性粉末。无臭，有很强的酸味，味阈值为0.0025%。

在温暖的空气中渐渐风化，在潮湿空气中微有潮解性。柠檬酸易溶于水，能溶于乙醇，而不溶于乙醚、氯仿、苯、CS2、CCl4及脂肪酸[1]。

1.2柠檬酸的用途

1.2.1柠檬酸在食品工业上的应用

柠檬酸被人们称为第一食用酸味剂，在食品工业上被广泛地用作酸味剂、增溶剂、缓冲剂、抗氧化剂、除腥脱臭剂、鳌合剂等，其具体用途不胜枚举。它常用在饮料、果酱与果冻、糖果、冷冻食品、酿造酒、酸奶、脂肪和油、腌制品、罐头食品和水果加工、豆制品和调味品等诸多领域。

1.2.2柠檬酸在药物、美容品、化妆品上的应用

柠檬酸普遍应用于各种营养口服液，缓冲pH=3.5~4.5，维持活性配料的稳定性，加强防腐剂的效果。柠檬酸糖浆是发热糖浆是必热痛不欲生用清凉饮料，具有矫味、清凉、解毒的功效。柠檬酸与水果香精和用，可赋予人们喜爱的香酸口感以掩盖药物的苦味，尤其是重要制剂，在液态配料中加入0.02%的柠檬酸可形成微量铁和铜的络合物，延缓活性配料的降解作用。在配制发蜡过程中用柠檬酸调节pH，在抗氧化剂体系中，作为金属离子鳌合剂，都需要柠檬酸作为标准配料[4]。

1.2.3柠檬酸在工业上的应用

以柠檬酸为基础的金属净化配方，能有效地去除黑色金属和有色金属的表面形成的氧化物。柠檬酸是高效鳌合清洗剂，对钙、镁、铁、铬、铜等污垢有效，广泛用于各种金属表面的清洗，洗后废水可生物降解不污染环境。柠檬酸钠能增加去污性能，在许多家用去垢剂产品中可加快生物降解，可作为磷酸盐的代用品，大量应用于洗衣粉、去垢剂之中，柠檬酸钠与铝硅酸盐一起增强洗净剂的清洁作用是很有效的。另外柠檬酸还可应用于电镀，纺织品，胶粘剂，石油井去除铁拴，治理工业废气、废水、回收金属等方面。

1.3柠檬酸的来源和发展情况

1784年C.W.舍勒首先从柑橘中提取柠檬酸。1860年意大利开始用添加石灰乳的方法从果汁中得到柠檬酸，从而进行了工业化生产。直到20世纪初，柠檬酸仍然主要是从柠檬中提取，产量还很低。1893年C.韦默尔发现青霉（属）菌

能积累柠檬酸，但未能实现工业化生产。1917年，柯里发现了一株产柠檬酸的黑曲霉，并通过美国的辉瑞公司于1923年采用浅盘发酵实现了工业化生产，原料主要是糖蜜。1952年美国迈尔斯公司首先成功采用液体深层发酵工业化规模生产柠檬酸。这种新工艺具有很多优越性，因而推动世界柠檬酸工业的迅速发展，也成为了柠檬酸发酵生产的主要工艺。

我国柠檬酸发酵工业在1949年以前是个空白。1969年上海酵母厂成功利用薯干粉深层发酵柠檬酸。在20世纪80年代，由于出口的需要，我国的柠檬酸生产发展速度，已成为世界上柠檬酸生产量最大的国家。全国有近90家柠檬酸生产企业，年生产能力达近50万吨，占世界总量的40%多。2002年全国产量30多万吨，2003年达40余万吨。我国开发的以白薯干为原料的产酸菌种具有其独到的特点，加之我国的许多地区对生产过程中排放的废水要求较低，多数生产企业对生产过程中产生的废水没能进行比较有效的处理，因此，我国柠檬酸生产成本较低，在国际市场上具有较强的竞争力。近年来我国柠檬酸的年出口量一直保持在10万吨以上。

1.4市场需求预测

1.4.1国际市场预测

柠檬酸的应用范围[1]越来越广，不仅适用于化工、印染，而且在食品加工、医药等行业也广泛应用。在世界市场上，该产品的年需求量超过100万吨，据国际柠檬酸生产商协会统计，当前该市场的结构为：饮料用柠檬酸占44%；其他食品用柠檬酸占24%；工业及民用洗涤柠檬酸占20%；药品与化妆品用柠檬酸占8%；其他工业用柠檬酸占4%。

1.4.2国内市场分析

我国的柠檬酸发酵工业：1969年上海酵母厂成功利用薯干粉深层发酵柠檬酸，20世纪80年代，由于出口的需要，我国的柠檬酸生产发展迅速，已成为世界上柠檬酸生产量最大的国家。我国开发的以薯干为原料的产酸菌种具有其独到的特点，生产成本较低，在国际市场具有较强的竞争力。

二．柠檬酸生产工艺的选择及论证

本次设计采用黑曲霉作为生产菌株，以薯干为主原料，用液体深层通风发酵的方法生产柠檬酸。工艺流程包括原料的预处理，（粉碎，液化，连消）发酵，提取精制（发酵醪液预处理，过滤，中和，酸解，脱色，离子交换，蒸发，结晶，干燥），包装等。

2.1原料和预处理

2.1.1原料

从目前，国内外生产柠檬酸的基本原料分为两类：淀粉类与糖蜜类。

关于淀粉类原料，过去，我国长期仅仅使用各种薯干，如：马铃薯、甘薯、木薯等，技术比较成熟。此次1.8万吨／年柠檬酸项目的工艺设计拟以薯干作为主要原料。

2.1.2原料的预处理

要在本设计中，对原料的基本处理工艺方法是：采用薯干直接粉碎调浆、液化、(玉米液化浆)压滤。结合一些实际条件，原料的处理由备料车间来完成。

①原料的运输与贮存

薯干原料，由汽车运至厂区，经过计量后，按包装形式的不同(袋装或散装)，暂存于平仓中。存于平仓中的薯干，采用平仓散装(或者袋装)贮存输送设备，输送到备料车间内。

②原料的处理[1]

根据发酵的要求，对两种不同的原料分别处理：

对薯干原料，采用直接粉碎、磨粉、调浆、液化、连续灭菌的处理方法； 以薯干原料生产时，根据我国薯干粗料的特征，发酵工艺要求将薯干从平仓运至备料车间，经过磁选装置除去原料中含铁杂质，以保护设备。然后进入粗粉碎机，将薯干先轧成1—3cm大小的小块，以提高磨粉机的效率，便于物料的输送。粗碎后，由斗式提升机提送至中间粉仓，由粉仓落入磨粉机粉碎，粉碎后进入粉仓再经计量送至配料罐。粉粹后的原料都需预先进行液化，即需要利用化学或生物催化剂使淀粉大分子断裂，使淀粉糊成为粘度明显下降、流动性较好的液体。目前柠檬酸发酵生产均采用酶法进行液化。即在配料罐内加水调浆，同时加

入α一淀粉酶升温液化。液化完成后送至连消装置连续灭菌，再送至发酵车间。

2.2蒸煮糖化工艺及论证

2.2.1蒸煮的目的

蒸煮的目的主要是为了使原料的细胞壁彻底破裂，内含的淀粉得以充分糊化和液化，整个醪液变成均一的液体，以利用淀粉酶系统的作用，附带的目的是对原料进行一次彻底的灭菌，以利于发酵的正常进行。

纯淀粉在120℃时已充分液化，但要使整粒原料细胞壁破裂，则要在140-155℃下进行蒸煮，并结合吹醪才能达到，对粉碎原料来说只要130-140℃就可以了。 目前除了少数小型酒精工厂仍采用间歇蒸煮外，大多数工厂都采用连续蒸煮工艺。所以本设计也采用连续蒸煮工艺[6]。

2.2.2粉浆的预煮

粉碎原料加水制成粉浆时，应注意防止粉料的结块。一旦形成粉团，蒸煮的质量就会受到影响，因为粉团内部的粉料没有吸水膨胀，也就不可能糊化，这将导致不溶解淀粉数量的增加，出酒率因此降低。原料结块的主要原因是搅拌不充分或不均匀；搅拌温度过高，达到或接近糊化温度。根据这种情况，制备粉浆时，应该选择好搅拌器的结构，保证必要的搅拌速度，严格控制搅拌用水的温度，使它不超过原料的糊化温度，一般应控制在65℃左右。拌料水温度一般为70℃。

如前所述，55～65℃这一温度区域间会使原料中的淀粉酶活化，造成部分原料糖化，生成糖，这部分糖会在随后的蒸煮过程中损失掉。因此在预煮时升温速度应较快，并在达到预定温度后迅速送去蒸煮。在拌料过程中相应的加入a-淀粉酶[7]。

2.2.3糖化

糖化的目的就是要将原料（包括薯干和辅助原料）中可溶性物质尽可能多的萃取出来，并且创造有利于各种酶的作用条件，使很多不溶性物质在酶的作用下变成可溶性物质而溶解出来，制成符合要求的醪液，并得到较高的收得率。糖化过程使一项非常复杂的生化反应过程，也是柠檬酸生产中重要环节。糖化的要求是薯干的浸出物收得率要高，浸出物的组成及其比例符合产品的要求。而且要尽量减少生产费用，降低成本，这与糖化温度、时间、醪液浓度及pH有很大的关

系，例如糖化温度和时间的变动，就会影响薯干中糖与糊精的比例，所以在糖化操作中要严格控制温度、时间、糖化醪的浓度及pH等各项因素，以保证产品的产量和质量的稳定[2]。

糖化方法一般分为三种，常用酸法，酸酶法和双酶法。其中酸法水解工艺因为设备要求高，环保难度大及对产品质量和下游产业不利等已经逐渐被淘汰，而双酶法则因为提高了转化率，复合、分解反应少，条件温和等逐渐成为目前比较理想的制糖方法。双酶法是用专一性很强的淀粉酶和糖化酶作为催化剂将淀粉水解成为葡萄糖的方法。

2.3发酵方式的选择及论证

这里采用深层液体发酵，由备料车间提供的经连续灭菌并冷却的料液，通过灭菌管道泵入已空消灭菌待料的发酵罐(或种子罐)，通过差压法或零磅火焰倒种法，接入已培养好的柠檬酸菌种，在通风、搅拌情况下，进行发酵或培养。在发酵培养过程中，对罐温、罐压、通风量、搅拌转速等实行连续记录监控，并定期检测原糖消耗情况、菌种生长状态、pH值、泡沫等变化情况。根据发酵的工艺特性要求，及时调整控制发酵工艺过程，以获得最佳工艺产酸率或种罐菌种活力，一般经66小时(种罐约25小时) 培养，大罐在残糖指标、产酸情况达到放罐条件即可放罐；种罐菌种活力及菌群数量达标后，即可移种。在发酵或培种过程的定期检测中，若发现异常情况，如染菌等，应针对具体情况及时处理，对中、前期染菌，可加大种量形成主菌群生长优势，或及时罐实消，补入适当营养源重新接种发酵；后期时可加强监控，提前放罐；对倒罐等应予灭菌排放处理，并认真查找原因，进一步强化灭菌操作中的各个环节[2]。

一般发酵罐的高径比为1.7-2.5之间，高径比大有利于传热和溶氧，搅拌剪切力大。发酵罐的搅拌装置包括机械搅拌和非机械搅拌。通风发酵的搅拌装置包括电动机、传动装置、搅拌轴、轴密封装置和搅拌桨。机械搅拌的目的是迅速分散气泡和混合加入物料。一个搅拌桨要同时达到这两个目的，有时是矛盾的。例如，达到混合功能需要大直径的搅拌器和采用低转速运转，而提高分散气泡效果则需要多叶片、小直径和大的转速。电动机输入功率决定于搅拌桨形式和其他发酵罐部件[8]。发酵罐内常安装4块挡板以增加混合、传热和传质效率。挡板之宽

度为发酵罐直径的10%～12%，挡板越宽则混合效果越好。在好气深层发酵罐中，来自无菌空气系统的压缩空气通过空气分布器射入发酵罐内，分布器有单孔管式和多孔管式。安装方式各异，一般安装在最下面一档搅拌器的下方，但都要注意防止气孔被发酵液中的菌体或固体颗粒堵塞。有的空气分布器带有放水结构，使放罐后没有发酵液残留在管子里。通气速度以满足微生物发酵的需要为准，在使溶氧在临界氧深度之上。它决定于系统的设计和操作。空气流速的上限速度是空气能有效地被搅拌桨分散，这和搅拌桨形式和转速有关[3]。

微生物在繁殖和耗氧发酵过程中都需要氧气，通常以空气作为氧源。空气中含有各式各样的微生物，这些微生物随着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会大量繁殖，消耗大量的营养物质，以及产生各种代谢产物，干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，使发酵产品的效价降低，产量下降，甚至造成发酵彻底失败等严重事故。因此，空气的除菌就成为耗氧发酵工程上的一个重要环节。除菌的方法很多，如过滤除菌、热杀菌、静电除菌，辐射杀菌等，但各种方法的除菌效果、设备条件、经济条件各不相同。所需的除菌程度根据发酵工艺要求而定，既要达到除菌效果，又要尽量简化除菌流程，以减少设备投资和正常运转的动力消耗。

发酵及醪液处理流程：

图2-1 柠檬酸液体深层发酵及醪液过滤工艺流程

2.4分离纯化

图2-2 柠檬酸提取工艺流程

由压滤工段送来的柠檬酸清醪液泵入中和罐，在80℃下进行中和[8]。碳酸钙经密闭的输送机送入车间，经无级调速下料螺旋分散投入中和罐，以防止局部浓度过高，使中和沉淀反应均匀，经终点检测合格后，将柠檬酸钙悬浮液排入带式过滤机中，将固体柠檬酸钙从悬浮液中分离出来，为满足玉米原料及薯干原料生产工艺的双重要求，中和带式过滤机用特定的加长、强洗型，生产原料操作灵活，以确保粗原料生产时的中和洗糖要求及成品的指标控制，要求并使中和废水经分流至污水处理站[7]。分离后的柠檬酸钙经卸料螺旋送至酸解桶中，由热水或酸解液调浆，浓硫酸由酸碱站泵入，再计量到酸碱桶中与柠檬酸钙在80℃下生成硫酸钙与柠檬酸的悬浊液送入酸解带式过滤机进行过滤，清洗液即稀酸解液收集用于调浆，硫酸钙运至渣场综合利用，柠檬酸酸解送精制工段[4]。

图2-3 柠檬酸精制成品工艺流程

离子交换与脱色 柠檬酸液从暂贮灌中泵送离交纯化工序，经由阳离于交换塔，阴离子交换塔和活性炭脱色塔，离交脱色除去色泽及影响成品质量加速设备腐蚀的阴阳离子，阴阳树脂需经过酸洗、碱洗再生处理，离交后的柠檬酸精制母液送入蒸发工序[4]。

蒸发与结晶 在提纯溶液进入蒸发部分前，通过精过滤器除去清液中的微小树脂颗粒。精滤后的溶液经热交换器预热后送至双效真空浓缩器经浓缩至特定浓度后，转入真空结晶器，或者低温结晶器进行结晶。以确定产品(一水产品或无水产品)，再经分离将柠檬酸晶粒从液相中分离出来，液相(母液)在分离后分别放至各级母液贮罐，根据其杂质离交浓度情况，送往重新蒸发式回流到前工序处理提纯，晶体送往干燥机[4]。

干燥与包装 从离心机分离出来的湿柠檬酸晶粒被送到流化床干燥器，根据生产品种控制干燥空气、温度及冷却空气量进行干燥，排空经湿式旋风分离器处理排放，干燥后的柠檬酸晶粒通过传送装置运到筛选机，不合格颗粒被筛分出来，溶解后返回到结晶系统，柠檬酸成品进行定量、包装，存放。

柠檬酸总的生产工艺流程[3]如下：

图2-4 柠檬酸的生产工艺流程图

三．工艺技术指标及基础数据

本文设计现每天生产98.1%纯度的柠檬酸1.8万吨，柠檬酸的发酵周期为75h(包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间)。

3.1 发酵罐台数和公称体积的计算

3.1.1 根据年产量计算每批次发酵液体积V1

每年的生产批次为：300(7524)96（次）

每批次生产柠檬酸的量：18000×0.981÷96=183.94（吨）

查资料得柠檬酸的发酵液密度为1050 kg/m3，则每批次生产柠檬酸发酵液的体积： V0=183.94×103÷1050=175.18m3

已知倒罐率为1%，提取率为80.2%，产酸率12.9%，则每批次柠檬酸发酵醪液实际体积： V1=175.18÷(1-1%)÷80.2%÷12.6%=1764.27m3

3.1.2 发酵罐的个数

3由上面计算得出批次谷氨酸发酵醪液实际体积为V11764.27m,已知装料系数

为0.75，则需要的总罐体积：

V2=1764.27÷0.70=2520m3

选取容积为V300m3的发酵罐，则发酵罐的个数为：

选取9个发酵罐，备用一个发酵罐，总发酵罐个数为10个。

3.2 种子罐的台数与公称体积的计算

3.2.1二级种子罐的计算

已知：接种量移入种子液的体积

接种后发酵液的体积

发酵罐中发酵液的量为300×0.70=210m3

已知一级、二级接种量为4%，取二级种子罐装料系数为0.7

则二级种子罐体积=300×0.70×4%÷0.7=12m3则取V=20m3的二级种子罐，种子罐个数与发酵罐个数一一对应，所以个数为10个。

3.2.2一级种子罐的计算

已知：接种量移入种子液的体积

接种后发酵液的体积

二级种子罐中发酵液的量为200.714m3

已知一级、二级接种量为4%，取一级种子罐装料系数为0.7 4%0.7200.8m3 则取V1m3的一级种子罐，种子则一级种子罐体积0.7

罐个数与发酵罐个数一一对应，所以个数为10个。

四．设备选型

4.1 发酵罐

4.1.1发酵罐的选型

选用机械搅拌通风发酵罐

4.1.2 发酵罐尺寸的计算及验算

（1）主要尺寸的计算：取高径比 H:D=1.70:1

则由公式0.785D2H200代入可得D=6.08m,H=10.33m

将D圆整为6m,H=10.4m,由D=6000mm,可查手册得

3V封=29.4053m

校核：V全V筒2V封

0.785D21.70D2V封

=352.86>300m3

H/D=10.4/6=1.74>1.70所以可行

4.1.3罐体主要部件尺寸的设计计算

4.1.3.1 罐体

考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，

封头结构、与罐体连接方式。因糖化酶是偏酸性（pH值为4.5），

对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnDR钢为

材料，封头设计为标准椭圆封头，则Hb=1/4D=1500mm,查手册得直边高度h=40mm,则H总=H+2Hb+2h=13480mm,

因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。

4.1.3.2发酵罐壁厚计算

(1)确定发酵罐设备壁厚的方法，可用公式计算也可用查表法。

计算法确定发酵罐的壁厚S。

PDS= +C 2[σ]Ф-P

=0.3×6000/(2×180×1-0.3)+3

=8mm

所以取壁厚8mm

式中：

P——耐受压强（取0.3Mpa）

D——罐体直径为6000mm

[σ] ——设计温度下的许用应力（kgf/cm2）（16MnDR钢焊接压力容器 许用应力为150℃，180Mpa）Rel=315Mpa

Ф——焊缝系数，双面焊取1.0（双面焊对接接头，100%无损检测) C——腐蚀裕度，当S-C

(2)封头壁厚计算

标准椭圆的封头的厚度计算，公式如下：

S=PD/[2[σ] Ф-0.5P]+C

=0.3x6000/(2×180×1-0.5×0.3)+3

=8mm

所以取壁厚为8mm

(3)校核罐体与封头水压，试验强度

σt=PT(Di+σe)/2σe≤0.9ФRel

PT=1.25P=1.25×0.3=0.375(Mpa)

Rel=315Mpa

σt=PT(Di+σe)/2σe=0.375×(5400+8-3)/(2×5)=202.69(Mpa)

0.9ФRel=0.9×1×315=283.5(Mpa)

因为σt

（4）气压校核

取灭菌条件下罐内最高温度为130℃，水在130℃时的饱和蒸气压为

0.27Mpa

4.1.4发酵罐搅拌装置及轴功率计算

（1）搅拌装置

由于谷氨酸发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用箭叶式圆盘搅拌器。

该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系。

搅拌器浆直径：d=D÷3=6÷3=2m

叶宽 ：B=0.2d=0.4m

弧长：l=0.375d=0.75m

底距：C=D÷3=2m

盘径 ：d1=0.75d=1.5m

叶弦长：L=0.25d=0.5m

叶距 ：Y=D=6m

弯叶板厚：δ=12（mm）

罐内液层深度HL=封头深度+筒体部分高度

=封头深度+（培养液容量-封头容积）÷筒体底面积

=1.54+（196-29.4053）÷0.785D2

=7.44m

培养液容量（每罐发酵液的体积）=1764÷9=196m3

由于D

（2）搅拌轴功率计算

a、 不通风条件下的搅拌功率

不通风条件下搅拌功率的大小随着液体的性质、搅拌器的型式和罐的结

构尺寸而不同，经过大量的科学实践和生产实践得到以下公式：

P=Ф（n，d，ρ，，g）

通过因次分析及经验证实，对牛顿型流体而言，可得下列准关联式：

nd2Pkn3d5Xn2dg Y

P

式中: n3d5 称为功率准数

nd2

ReM 称为搅拌情况下的雷诺准数

n2dFrM 称为搅拌下的弗鲁特准数 g

K——与搅拌器类型发酵罐的几何尺寸有关的常数

故上式可改写称为: Np  k  Re M MYX  Fr

经试验证实，在全挡板条件下，叶面未出现漩涡，此时指数y为零。

计算搅拌所需的功率，因先求出搅拌时罐内流体的雷诺准数Re值，根据该

值判断流体流动的形式，再确定用哪个公式计算。

牛顿型流体：

Re≥104 湍流 Re≤10 滞流 10≤Re≤104 过渡区

①计算Re

D2NρRem

μ

式中 D——搅拌器直径，D=1.8m N——搅拌器转速，N=1.33r/s 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：

nd2ρ1.3322105064

Re= ==4.3×10>10显然为湍流。 -3μg1.3×10此时X=0

Np为常数， 圆盘箭叶涡轮浆搅拌功率准数为 Np=3.9 因此使用Np~Re，则搅拌功率可用上述公式计算。

P0NPN3D5ρ

式中 Np——在湍流搅拌状态时其值为常数3.9 N——搅拌转速，N=1.33r/s D——搅拌器直径，D=2m

3 ρ——醪液密度，ρ=1050kg/m 代入上式：

则：P1=3.9×1.333×25×1050=308.29kw

因为在同一轴上往往装有多层搅拌器，对于多层搅拌器的轴功率可按此式估算： P=2P1=616.58kw b、通风条件下的搅拌功率Pg

23

ND3Pm

Pg2.2510Q0.08



0.39

kW

式中 P——不通风时搅拌轴功率（kW），

N——轴转速，N=85r/min

D——搅拌器直径（cm），

Q——通风量（ml/min），设通风比VVm

Pg=2.25×10-3×（616.582×80×8×106÷3.50）0.39=563.12kw ④求电机功率P电

P电=Pg×1.1÷0.9=688.26kw

经查阅资料得：电机的功率选用730Kw，型号为KTA38G2A。 （3）搅拌轴直径计算

由于采用的16MnDR钢许用应力[σt]=180MPa,得其[τ]=1800kgf/cm2，经查《化工设备设计全书-搅拌设备设计》得A=7，B=10 按扭转强度计算：

d0≥A(1.36Pg÷n)1/3=6×(1.36×563.12÷80)1/3=14.86cm

按扭转刚度计算： d0’≥B(1.36Pg÷n)1/4=17.59cm

因为d0’大于d0,所以以刚度计算为主，即轴的直径为17.59cm,取整为180 mm。 4.1.5轴封的计算

轴封分为填料轴封和机械轴封，由于机械轴封是一种功能小、密封性能可靠、使用寿命长，所以本设计选用机械轴封。

机械轴封密封环接触面内、外径的大小主要取决于面积比K和接触面宽度b的大小。面积比K在非平衡型机械密封来说其取值为1.1~1.2，平衡型机械密封来说其取值为0.6~0.9，由于本设计是平衡型机械密封，所以K=0.8，接触面宽度b的大小可在3~10mm里面选，实际选用时参考以下关系：

表4-1 轴径与接触面宽度b之间的关系

轴径d=180mm，故b=7.5mm

密封接触面的内径D1、外径D2与轴径d的关系为：

D1D22b

D22Kb(2Kb)24Kb2d2

D220.80.75(20.80.75)240.80.7218219.2cm

D119.220.7517.7cm

外径D2=19.2cm，D1=17.7cm。 4.1.6轴承选型

根据轴径d=160mm，选择轴承类型如下：

表4-2 轴承类型的选择

轴承类型 圆柱滚子轴承（中间） 圆锥滚子轴承（底部） 4.1.7联轴节

选用立式夹壳联轴节（HG5-213-65),夹壳材料为HT20-40。此联轴节适用于最高使用温度250℃，优点是构造简单、拆装方便，拆装时轴不需作轴向移动。 4.1.8挡板

本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。

4.1.9支座

对于100m3以上的发酵罐，由于设备总质量较大，应选裙式支座。

型号 Nu234 Nu2328

内径（mm) 180 180

外径（mm) 325.5 310

宽度（mm) 224 222.5

排气孔：在裙座的顶部开设υ=100mm的排气孔；

排液孔:在裙座的底部开设υ=100mm的排液孔，孔径为υ50，中心为50mm的长圆孔；

人孔：一般为方圆形。 4.1.10冷却装置计算 4.1.10.1换热面积的确定

经验值计算法：不同容量发酵罐的冷却面积如下：

发酵产品 装料体积/m3 冷却面积/m3 冷却面积m2/发酵液体积m3=ψ

酵母 50 40 0.8 谷氨酸 40 60 1.5 柠檬酸 40 16-20 0.4-0.5 柠檬酸发酵罐冷却面积取0.5m2/m3；

由上知填充系数Ф=70%，则每个300m3的发酵罐换热面积： A=300×0.7×0.5=105m2 4.1.10.2冷却水耗量

（1）最高负荷下的耗水量W

W

Q

Cp(t2t1)

Q—每1m3醪液在最旺盛时，1h的发热量与发酵液总体积的乘积。 Q=4.18×6000×300×0.7=5.27×106(KJ/h)

cp——冷却水的比热容，4.18kJ/（kg·℃） t2——冷却水终温，t2=27℃ t1——冷却水初温，t1=20℃ 将各值代入上式

Q总总5.271065

kg/h50kg/s W总1.810（

Cp(t2t1)4.1827-20冷却水体积流量为0.0358m3/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：

S总

Wv

式中 W—冷却水体积流量 V—冷却水流速 代入上式：

S

进水总管直径 ：

0.052

m0.05m2 1

d

S0.05

0.25m 0.7850.785

（2）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：

d0

S0.050.067m67mm

0.785n0.78514

查金属材料表选取υ76×4mm无缝管，d内径=68mm，d内径>d0，认为可满足要求，d平均=68mm。

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l0：

mm l0D3.145001570

(3)冷却管总长度L计算

现取无缝钢管υ76×4mm，每米长冷却面积为 A0=3.14×(76-8）/1000×1=0.21m2 则:

L=A/A0=105/0.21=500m

冷却管占有体积：

V=0.785×d2×500=2.45m3

（4） 每组管长L0和管组高度：

L0=L/n=500/14=35.71m 另需连接管6m：

L实= L0+6=35.71+6=41.71m

可排竖式直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头500mm。设发酵罐内附件占有体积为2m3，则：总占有体积为

V总=V液+V管+V附件=2.45+300×0.7+2=214.45m3 则筒体部分液深为：

h=(214.45-29.40)/0.785D2 =6.5m 竖式蛇管总高

H总=6+0.5=6.5m

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

h=H总-500 =6500-500 =6000mm 则一圈管长：

l=2h+l0 =2×6000+1570=13570mm （5） 每组管子圈数n0：

n0=l0/l=30.6/13.57=1.94（圈），取整为2圈。 L实=13.57×14×2+2×14=407.96(m）

现取管间距为2.5D=2.5×0.076=0.19m，则可计算出搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。

（6）校核布置后冷却管的实际传热面积：

F实际=d平均L实=3.14×0.068×407.96=87.11m2

而前有A=75m2，A实>A，可满足要求。4.1.11管道计算

4.1.11.1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。 4.1.11.2接管直径的确定

按排料管计算：该罐实醪料量210m3，设2h之内排空，则物料体积流量 Q=210÷(3600×2)=0.029(m3/s)

发酵醪流速取v=5m/s;则排料管截面积为F物 F物=Q÷V=0.029÷5=0.0058 m2

F物0.785d2管径：d

F

0.086m86mm 0.785

取无缝管υ108×6mm，77mm〉71mm，认为合适。 排料时间复核:

物料流量Q=0.0029m3/s，流速v=5m/s； 管道截面积：

F=0.785×(0.108-0.006x2)2=0.0072m2

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)=0.0029÷(0.0072×5)=0.81 排料时间：

t=0.81×2=1.62h

4.1.12管道接口 （采用法兰接口）

进料口：直径1086mm，开在封头上， 排料口：1086mm，开在罐底； 进气口：1084mm，开在封头上； 排气口：1084mm，开在封头上； 冷却水进、出口：1086mm，开在罐身； 补料口：1086mm，开在封头上； 取样口：1084mm，开在封头上。 4.1.13仪表接口

温度计：装配式热电阻温度传感器Pt100型，开在罐身上；

压力表：弹簧管压力表（径向型），精度2.5，型号：Y-250Z，开在封头上； 液位计：采用标准：HG51368 型号：R61 ，开在罐身上；

溶氧探头：SENDOF；pH探头：PHS2型。 4.1.14人孔和视镜

人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。

本次设计设置1个人孔，标准号为： 人孔RFⅡ(R.G)800-0.6 HG21522-1995，公称直径800mm，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴750mm处。

视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了2视镜，直径为DN80，开在顶封头上，位于前后轴线离中心轴750mm处，标记为视镜Ⅱ PN1.0 DN80 HGJ501-86-17。

4.2二级种子罐选型

经过发酵罐的校核后发酵罐的个数为10个，为保证发酵罐与二级种子罐一一对应，所以二级种子罐的个数为10个，其中有一个备用，其体积为20m3，经查资料可得：

罐内径：2300mm 圆柱高：4600mm 封头高：615mm 罐体总高：5853mm 封头容积：1.76m3 全容积：22.6m3 搅拌桨直径：770mm 搅拌转数：125r/min 电动机功率：23kw 搅拌轴直径：80mm 冷却方式：列管

4.3一级种子罐选型

经过发酵罐的校核后发酵罐的个数为10个，为保证与二级种子罐一一对应，所以一级种子罐的个数为10个，其中有一个备用，其体积为1m3，经查资料可得：

罐内径：650mm 圆柱高：1040mm 封头高：162.5mm

罐体总高：1381mm 封头容积：0.044m3 全容积：0.42m3 搅拌桨直径：200mm 搅拌转数：85r/min 电动机功率：13kw 搅拌轴直径：65mm 冷却方式：夹套

五、发酵车间设备布置

发酵车间的设备布置主要包括发酵车间楼层的确定和发酵罐、二级种子罐、一级种子罐的布置以及控制室、更衣室的布局等。

5.1发酵车间楼层的确定

因发酵罐的总高为19336mm，则楼层的总高必须高于19336mm，取发酵车间第一层的楼高为5.7m,其他层的高度为5.1m,则5.7+5.1×3=21m>19.336m,满足要求，故发酵车间的楼层设置为4层。

5.2发酵车间总面积的确定

取楼梯间的宽度为3m,发酵罐距墙壁为2m，罐体与罐体之间相距1m,又因发酵罐、二级种子罐、一级种子罐的个数都为10个，发酵罐基础环直径为5920mm, 二级种子罐的直径为2300mm,一级种子罐的直径为650mm,则发酵车间的总长为： 3000+2300+(5920+1000)×3+(2000+1000)×3+(650+1000)×3-1000=41710mm 考虑到发酵车间有推车等其他运输工具通过，故取总长为42000mm。 同理可求得发酵车间的总宽为35160mm,故取总宽为36000mm。

5.3其他布局的确定

在发酵车间一层设置两个门，并设置一个控制室和一个更衣室，其中控制室的长为8420mm,宽为7200mm,更衣室的长为4960mm,宽为3000mm。 详细的尺寸布局见发酵车间设备布置图。

六．总结和设计评述

本次课程设计即将结束，在课程设计的这几周内，我们尽自己最大的努力，尽可能的做好整个课程设计。但由于我们本身知识水平有限，时间上也不是十分充足，更没有机会到柠檬酸发酵工厂实地考察，所以本次设计还存在着诸多缺陷

与不足，比如：本次设计所涉及的计算并不是很全面，还有很多细节需要计算处理。还有，某些基础数据未能准确查得，只能以参考数据代替，以至计算不是很准确，这在真正实施起来时是不实际的，可能会导致许多问题。以上是为本次设计的遗憾之处。

虽然本设计存在着种种不足，但我从本次课程设计中学到了很多有用的知识，了解到理论与实际的差距，并且综合的运用了大学四年所学的所有知识，此外还了解了整个柠檬酸发酵行业的发展情况，学到了很多相关知识，通过本次课程设计我学会了查阅有用资料并和同学们相互学习，达到本次学习的目的。这大概就是本次课程设计的意义所在吧！

这次生物发酵工艺学课程设计论文能够得以顺利完成，特别要感谢我的指导老师王杏文老师，感谢他给予我课堂上传授的知识和课程设计上的悉心指导和无私教诲。

通过这次课程设计，让我对生物发酵工艺学这门课有了进一步的认识。这次课程设计是对这门课程的一个总结，对综合运用知识的培养。设计时要有一个明确的思路，要考虑多种因素。

这次课程设计对我们独自解决问题的能力也有所提高。在整个过程中，我查阅了相关书籍及文献，取其相关知识要点应用到课程设及中，而且其中有很多相关设备选取标准可以直接选取，这样设计出来的设备更加符合要求。

这次课程设计的书写中对格式的要求也很严格，在老师的指导下我们按照毕业设计的格式要求完成课程设计。这就为我们做毕业设计打下了基础。

因为我们的知识有限，所做出的设计存在许多缺点和不足，请老师做出批评和指正。最后感谢老师对这次课程设计的评阅！

参考文献

[1]王福源：《现代食品发酵技术》[M]，中国轻工业出版社1998

[2]邱树毅.生物工艺学[M].化学工业出版社.2009.4.

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[5]黄儒强,李玲.生物发酵技术与设备操作[M].化学工业出版社.2006.8-17.

[6]郑裕国.生物工程设备.化学工业出版社[M].2007,6-8.

[7]喻健良，王立业，刁玉玮.化工设备机械基础[M].大连理工大学出版社：2015.304.

[8]王志魁，刘丽英，刘伟.化工原理[M].化学工业出版社：2005.286-287.

致 谢

本课程设计得益于老师上课的悉心教导及课下的答疑解惑。在老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅

使我树了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。在此，谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

姚 海 燕

2015年12月于合肥学院