菌种 原料 空气 斜面培养 空气压缩机 预处理 冷却 摇瓶扩大培养 水解
种子罐扩大培养 过滤 气液分离 淀粉水解糖 过滤除菌 配料 发酵 等电点调节 离心 溶解 粗谷氨酸 母液 沉淀 离子交换处理 中和制味精 粗谷氨酸溶液
图1 味精生产总工艺流程
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除铁 过滤 脱色 浓缩结晶 离心 小结晶 大结晶 干燥 干燥 拌盐粉碎 过滤 粉末味精 成品味精
3.发酵罐主体设计计算
3.1 发酵罐主要条件及主要技术指标
一个良好的发酵罐应包含以下几点要求：①结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；②有良好的气-液-固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能；③在能保持生物反应要求的条件下，尽可能的降低能耗；④有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度；⑤有可行的管道比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。
表1 发酵罐主要设计条件
项目及代号 发酵产品 工作压力 设计压力 发酵温度（工作温度）
设计温度 冷却方式 发酵液密度 发酵液黏度
参数及结果 谷氨酸 0.4MPa 0.4MPa 32℃ 150℃ 夹套冷却
备注 由工艺条件确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定
??1080kg/m3 ??2.0?10?3N?s/m2
3.2罐体选型、几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸的设计计算
3.2.1 发酵罐的选型
选用的发酵罐类型是机械搅拌通风发酵罐。 3.2.2 发酵罐容积的确定
根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=2.5，则H=2.5D 初步选取的发酵罐公称容积为2m3。
公称体积 V－罐的筒身（圆柱）体积与底封头体积的总和 全 体 积 V0－公称体积与上封头体积的总和。 封头体积 V??4D2H0??24D3设H0/D?2，根据设计条件发酵罐的公称体积是2m3； 罐体直径D=1055.31mm，取整为1100mm。 罐体总高度H=2.5D=2.5×1100mm=2750mm。
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查阅文献[5]，如果公称直径D=1100mm，则标准椭圆封头的曲面高度ha=275mm，直边高度hb=25mm，总深度为Hf =300mm，内表面积S封?1.398m2，容积Vf?0.198m3
H0?H?2Hf?2750?600?2150mm。
则此时H0/D?2150/1100?1.9546，与前面的假设相近，故可认为D=1100mm是合适的。
发酵罐的全体积：
V0??1?1D2[H0?2(hb?D)]??1.12?[2.15?2?(0.025??1.1)]?2.44m3 46463.2.3 发酵罐装液量的确定
设计发酵罐装料系数：取70%
发酵罐装料液体积：v1=公称容积×装料系数=2×70%=1.4m3
3.3 冷却装置的设计
由于发酵罐容积为2m3，所以可以采用夹套冷却
Ⅰ 发酵产生的总热量：Q总?4.18?6000?2?70%?3.5?104kJ/h Ⅱ 夹套传热系数：K?4.18??150~250?kJ/m2?h?℃ 现取K=4.18×220kJ/（m2·h·℃）
Ⅲ 平均温差：发酵温度t=32℃；水初温20~23℃，取t1=23℃；水终温t2=27℃，则平均温差：
(t?t1)?(t?t2)32?23?32?27=6.8℃ ?tm==t?t132?23lnlnt?t232?27Q总3.5?104Ⅳ 需冷却面积F：F???5.6m2
K?tm4.18?220?6.8Ⅴ 核算夹套冷却面积：按照静止液深来确定夹套高度
V醪?Vf1.4-0.198??1.8m 静止液体浸没筒体高度 ：H0?S罐0.785?1.12液深：HL?H封?H0?300?1800?2100mm
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
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和：S夹?S筒?S封??DH0?S封?3.14?1.1?1.27?1.398?5.78m2。
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，并没有起冷却作用。 综上，传热需要的面积F=5.6m2
3.4 罐体选料
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（pH4.5），对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆封头，因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。 3.4.1 罐体壁厚
带夹套的容器，该容器应该根据外牙容器来计算壁厚。考虑到冷却水压力与容器内压力又不同时存在的情况，取水压作为容器外压。
S?PD0.4?1100?C=?3?4.62mm
〔2?〕?2?170?0.8?0.4D－罐体直径（mm） P－耐受压强 (取0.4MPa) φ－焊缝系数，双面焊取0.8
[σ]－设计温度下，允许承受的最大应力值kg?f/cm2（16MnR钢焊接压力容器允许承受的最大应力值为150℃，170MPa）
?C?CCC－腐蚀裕度，C12?3=0.8+2+0.2=3mm
C1——钢板负偏差 C2——为腐蚀余量 C3——加工减薄量 3.4.2 封头壁厚计算
S2?PDy0.4?1100?2.3?C??3?6.72mm 2[?]?2?170?0.8D－罐体直径（mm）； P－耐受压强 (取0.4MPa)； y－开孔系数，取2.3 ； φ－焊缝系数，双面焊取0.8；
[σ]－设计温度下，允许承受的最大应力值（16MnR钢焊接压力容器允许承受的最大应力值为150℃，170MPa）。
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3.4.3 夹套直径
夹套直径：D夹?D?100?1200mm。
3.5 挡板的设计
根据全挡板条件：式中：
B－挡板宽度 B=0.1D=0.1×1100=110mm D－罐径D=1100mm Z－挡板数：Z=0.5?D1100=0.5?=5块 B110BZ=0.5 。 D3.6 搅拌器的设计
采用六弯叶涡轮式搅拌器。 3.6.1 搅拌器的计算结果
直径：Di=360mm; 叶片宽度：h=108mm; 弧长：L=90mm; 盘径：r=135mm 叶弦长：di=270mm; 搅拌器间距：Y=1100mm; 底距：C=360mm。
表2 2m3发酵罐的几何尺寸
项目及代号 公称体积（m3） 全体积（m3） 罐体直径（mm） 发酵罐总高（mm） 发酵罐筒体高度（mm） 搅拌叶直径（mm） 椭圆封头短半轴长（mm） 椭圆封头直边高度（mm） 底搅拌叶至封头高（mm） 搅拌叶间距（mm）
参数及结果
2 2.44 1100 2750 2150 360 275 25 360 1100
备注 设计条件 计算 计算 计算 计算 计算 计算 计算 计算 计算
取两档搅拌，搅拌器转速N2，根据50m3罐，110r/min，搅拌器直径D1=1.05m，使用P0/V为基准缩小，求得：
?D?N2?N1?1??Di?2/3?1050??110????360?7
2/3?224r/min
3.6.2 搅拌轴功率的计算