200立方米谷氨酸發(fā)酵罐設(shè)計

1、生物工程設(shè)備課程設(shè)計200m3谷氨酸發(fā)酵罐設(shè)計院系：生物與化學(xué)工程學(xué)院專業(yè)：生物工程班級：學(xué)號：姓名：指導(dǎo)老師：日期：2012年5月11日生物反應(yīng)工程與設(shè)備課程設(shè)計任務(wù)書機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器設(shè)計一、課程教學(xué)目標(biāo)生物反應(yīng)工程與設(shè)備課程設(shè)計是生物工程專業(yè)一個重要的、綜合性的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識如生化反應(yīng)工程與生物工程設(shè)備課程來解決生化工程實際問題，對培養(yǎng)學(xué)生全面的理論知識與工程素養(yǎng)，健全合理的知識結(jié)構(gòu)具有重要作用。在本課程設(shè)計中，通過生化過程中應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備，如機(jī)械攪拌發(fā)酵罐、氣升式發(fā)酵罐、動植物細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器，蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備、蒸餾設(shè)備等的設(shè)計實踐，對學(xué)生進(jìn)行一次生化過程發(fā)酵設(shè)備

2、設(shè)計的基本訓(xùn)練，使學(xué)生初步掌握發(fā)酵設(shè)備設(shè)計的基本步驟和主要方法，樹立正確的設(shè)計思想和實事求是，嚴(yán)肅負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)，為今后從事實際設(shè)計工作打下基礎(chǔ)。二、課程設(shè)計題目設(shè)計200m3谷氨酸機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器三、課程設(shè)計內(nèi)容1、設(shè)備所擔(dān)負(fù)的工藝操作任務(wù)和工作性質(zhì)，工作參數(shù)的確定。2、容積的計算，主要尺寸的確定，傳熱方式的選擇及傳熱面積的確定。3、動力消耗、設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計。四、課程設(shè)計的要求 課程設(shè)計的規(guī)模不同，其具體的設(shè)計項目也有所差別，但其基本內(nèi)容是大體相同，主要基本內(nèi)容及要求如下： 1、工藝設(shè)計和計算 根據(jù)選定的方案和規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行物料衡算，熱量衡算，主體設(shè)備工藝尺寸計算和簡單的機(jī)械設(shè)計計算，

3、匯總工藝計算結(jié)果。主要包括：（1）工藝設(shè)計設(shè)備結(jié)構(gòu)及主要尺寸的確定（D，H，HL，V，VL，Di等）通風(fēng)量的計算攪拌功率計算及電機(jī)選擇傳熱面積及冷卻水用量的計算（2）設(shè)備設(shè)計壁厚設(shè)計（包括筒體、封頭和夾套）攪拌器及攪拌軸的設(shè)計局部尺寸的確定（包括擋板、人孔及進(jìn)出口接管等）冷卻裝置的設(shè)計(包括冷卻面積、列管規(guī)格、總長及布置等) 2、設(shè)計說明書的編制 設(shè)計說明書應(yīng)包括設(shè)計任務(wù)書，目錄、前言、設(shè)計方案論述，工藝設(shè)計和計算，設(shè)計結(jié)果匯總、符號說明，設(shè)計結(jié)果的自我總結(jié)評價和參考資料等。 3、繪制設(shè)備圖一張 設(shè)備圖繪制，應(yīng)標(biāo)明設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)與尺寸。目錄第1章 概述1 1.1發(fā)酵罐設(shè)計前景11.2微生物生物

4、反應(yīng)器的研究與應(yīng)用概述1 1.3微生物反應(yīng)器的研究和應(yīng)用進(jìn)展2第2章 設(shè)計依據(jù)32.1、本次設(shè)計內(nèi)容32.2、 基本參數(shù)32.2.1 發(fā)酵罐的型式32.2.2 發(fā)酵罐的用途3冷卻水及冷卻裝置4設(shè)計壓力 4第3章 通用發(fā)酵罐的系列參考尺寸53.1.通用發(fā)酵罐的系列尺寸53.2 發(fā)酵罐主要設(shè)計條件6第4章 谷氨酸生產(chǎn)工藝流程簡介7 4.1谷氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)參數(shù)74.2谷氨酸生產(chǎn)原料及處理74.3谷氨酸生產(chǎn)工藝流程圖10第5章 發(fā)酵罐選型及工藝計算115.1 發(fā)酵罐的設(shè)計與選型115.1.1 發(fā)酵罐的選型115.1.2 生產(chǎn)容積的確定115.2主要尺寸的計算115.3 冷卻面積的確定125.4 攪拌

5、器設(shè)計135.5 、攪拌軸功率的確定152.5.1 計算Rem 155.5.2不通氣條件下的軸功率計算165.5.3 通氣發(fā)酵軸功率計算165.5.4 求電機(jī)功率175.6設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計175.7 豎直蛇管冷卻裝置設(shè)計185.8備材料的選擇215.9 發(fā)酵罐壁厚的計算215.10 接管設(shè)計23第6章 設(shè)計結(jié)果與討論256.1發(fā)酵罐參數(shù)設(shè)計匯總 256.2 輔助設(shè)備有關(guān)參數(shù) 266.3 攪拌器有關(guān)參數(shù) 276.4主要符號說明 27第7章 發(fā)酵罐設(shè)計心得體會29參考文獻(xiàn)30設(shè)計圖31第1章 概述1.1 發(fā)酵罐設(shè)計前景生物反應(yīng)器是多學(xué)科交叉的生物技術(shù)領(lǐng)域，是21世紀(jì)生物工程發(fā)展的重要前沿之一。近

6、年來，國內(nèi)外利用動物、植物和微生物生物反應(yīng)器生產(chǎn)蛋白藥物與其它重要產(chǎn)品的研究取得了令人矚目的進(jìn)展，特別是功能基因的高效表達(dá)技術(shù)與方法研究有了許多新的突破，不少產(chǎn)品已進(jìn)入研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化階段。生物反應(yīng)器（bioreactor）是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進(jìn)行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)，其設(shè)計、放大是生化反應(yīng)工程的中心內(nèi)容。從反應(yīng)過程上看，生物反應(yīng)器根據(jù)培養(yǎng)對象的不同可分為以下幾種。微生物反應(yīng)器和酶反應(yīng)器。微生物反應(yīng)器是生產(chǎn)中最基本也是最主要的設(shè)備，其作用就是按照發(fā)酵過程的工藝要求，保證和控制各種生化反應(yīng)條件，如溫度、壓力、供氧量、密封防漏、防止染菌等，促進(jìn)微生物的新陳代謝，使之能

7、在低消耗下獲得較高的產(chǎn)量。酶反應(yīng)器可分游離酶及固定化酶反應(yīng)器兩大類。細(xì)胞生物反應(yīng)器。動物細(xì)胞或植物愈傷組織培養(yǎng)條件苛刻，培養(yǎng)周期長，雜菌污染的危害性大，因此動植物細(xì)胞反應(yīng)器的設(shè)計遠(yuǎn)較微生物反應(yīng)器復(fù)雜。轉(zhuǎn)基因動植物生物反應(yīng)器。目前，動物生物反應(yīng)器中研究與應(yīng)用較多的是乳腺生物反應(yīng)器，該類反應(yīng)器基于轉(zhuǎn)基因技術(shù)平臺，使源基因?qū)雱游锘蚪M中并定位表達(dá)于動物乳腺，利用動物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白質(zhì)的能力，在動物的乳汁中生產(chǎn)一些具有重要價值的產(chǎn)品。植物生物反應(yīng)器主要是指利用轉(zhuǎn)基因植物來生產(chǎn)蛋白質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物等工程產(chǎn)品。1.2 微生物生物反應(yīng)器的研究與應(yīng)用概述微生物反應(yīng)器和酶反應(yīng)器發(fā)展至今，已經(jīng)形成了

8、多種類型：在操作方式上，間歇式、連續(xù)式和半間歇式均已得到研究和應(yīng)用 ；在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征上，目前已發(fā)展了釜 / 罐式、管式、塔式、膜式等類型 ；在能量的輸入方式上，目前已發(fā)展了通過機(jī)械攪拌輸入能量的機(jī)械攪拌式、利用氣體噴射動能的氣升式和利用泵對液體的噴射作用而使液體循環(huán)的生物反應(yīng)器等 ；在生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式上，目前已發(fā)展了生物團(tuán)塊反應(yīng)器和生物膜反應(yīng)器，其中生物團(tuán)塊反應(yīng)器根據(jù)催化劑相態(tài)的不同又發(fā)展了填充床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤等多種型式的生物反應(yīng)器 ；在反應(yīng)器內(nèi)的流動和混合狀態(tài)上，目前生物反應(yīng)器已發(fā)展至全混流型生物反應(yīng)器和活塞流型生物反應(yīng)器。微生物反應(yīng)器的研究和開發(fā)需要經(jīng)歷三個階段 ：實驗

9、室階段 微生物的篩選和培養(yǎng)基的研究，在搖瓶培養(yǎng)或1 3L 反應(yīng)器中進(jìn)行 ；中試階段 5 500L 規(guī)模小型反應(yīng)器，環(huán)境因素最佳操作條件研究；工廠化規(guī)模生產(chǎn) 實驗生產(chǎn)至商業(yè)化生產(chǎn)，提供產(chǎn)品并獲得經(jīng)濟(jì)效益。酶反應(yīng)器和下述的細(xì)胞生物反應(yīng)器研究也同樣需要經(jīng)歷實驗室階段、中試階段和規(guī)模生產(chǎn)階段。在三個階段中，盡管生物反應(yīng)過程相同，但規(guī)模的不同使反應(yīng)溶液的混合狀態(tài)、傳質(zhì)與傳熱速率等不盡相同，如何讓微生物、酶、細(xì)胞充分與外界接觸并完成生化過程，達(dá)到足夠高的反應(yīng)效率，在工藝上都會有許多新的困難。反應(yīng)器類型的多樣性和工藝的復(fù)雜性一方面提高了反應(yīng)器研究和應(yīng)用的難度，另一方面也給生物反應(yīng)器的研究和發(fā)展帶來了巨大的空

10、間。例如，近年來，膜生物反應(yīng)器在污水處理中的研究和應(yīng)用不斷發(fā)展。1.3 微生物反應(yīng)器的研究和應(yīng)用進(jìn)展膜生物反應(yīng)器在污染處理中的應(yīng)用是近年來微生物反應(yīng)器的研究和應(yīng)用進(jìn)展的代表性技術(shù)之一。除此之外，結(jié)合數(shù)學(xué)、動力學(xué)、化工工程原理、計算機(jī)等技術(shù)研究微生物反應(yīng)器和酶反應(yīng)器中的生化過程，使其過程控制的工藝更為合理，而固液分離技術(shù)（離心分離、過濾分離、沉淀分離等工藝）、細(xì)胞破壁技術(shù)（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等）、蛋白質(zhì)純化技術(shù)（沉淀法、色譜分離法和超濾法等）等下游技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了生物反應(yīng)器設(shè)計水平的提高。另一方面，近年來基因工程技術(shù)等的發(fā)展推動了微生物反應(yīng)器研究的快速進(jìn)步。例如，乙酸氧化

11、脫硫單胞菌（Geobacter sulfurreducens）、泥土桿菌科（Geobacteraceae）的電極還原微生物等細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)和改造與質(zhì)子交換膜（PEM）的技術(shù)進(jìn)步，共同推動了微生物燃料電池（MFC）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。第2章 設(shè)計依據(jù)2.1 本次設(shè)計內(nèi)容設(shè)計200m3谷氨酸機(jī)械攪拌通風(fēng)反應(yīng)器2.2 基本參數(shù) 發(fā)酵罐的型式機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐攪拌器：六彎葉渦輪攪拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4攪拌器直徑：Di=D/3攪拌器間距：S=（0.95-1.05）D最下一組攪拌器與罐底的距離：C=（0.8-1.0）D擋板寬度：B=0.1D，當(dāng)采用列管式冷卻時，可用列管冷卻代替擋板 發(fā)酵罐

12、的用途用于谷氨酸生產(chǎn)的發(fā)酵罐，有關(guān)設(shè)計參數(shù)如下：發(fā)酵液物性參數(shù)：密度1080kg/m3 粘度2.0×10-3N.s/m2 導(dǎo)熱系數(shù)0.621W/m. 比熱4.174kJ/kg.高峰期發(fā)酵熱3-3.5×104kJ/h.m3溶氧系數(shù)：種子罐5-7×10-6molO2 發(fā)酵罐6-9×10-6molO2 冷卻水及冷卻裝置冷卻水：地下水18-20冷卻水出口溫度：23-26發(fā)酵溫度：32-33冷卻裝置：種子罐用夾套式冷卻，發(fā)酵罐用列管冷卻。 設(shè)計壓力罐內(nèi)0.4MPa；夾套0.25 MPa發(fā)酵罐主要由罐體和冷卻列管，以及攪拌裝置，傳動裝置,軸封裝置，人孔和其它的一些附

13、件組成。這次設(shè)計就是要對200M3通風(fēng)發(fā)酵罐的幾何尺寸進(jìn)行計算；考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料，確定罐體外形、罐體和封頭的壁厚；根據(jù)發(fā)酵微生物產(chǎn)生的發(fā)酵熱、發(fā)酵罐的裝液量、冷卻方式等進(jìn)行冷卻裝置的設(shè)計、計算；根據(jù)上面的一系列計算選擇適合的攪拌裝置，傳動裝置，和人孔等一些附件的確定,完成整個裝備圖，完成這次設(shè)計。第3章 通用發(fā)酵罐的系列參考尺寸3.1 通用發(fā)酵罐的系列尺寸表1 發(fā)酵罐系列尺寸公稱容積罐內(nèi)徑圓柱高封頭高罐體總高封頭容積圓柱部分容積50L320mm640mm105mm850mm6.3L52L100L400mm800mm125mm1050mm11.5L100L200L500mm

14、1000mm150mm1300mm21.3L197L500L700mm1400mm200mm1800mm54.5L540L1.0m3900mm1800mm250mm2300mm0.112m31.14m35.0m31500mm3000mm400mm3800mm0.487m35.3m310m31800mm3600mm475mm4550mm0.826m39.15m320m32300mm4600mm615mm5830mm1.76m319.1m350m33100mm6200mm815mm7830mm4.2m346.8m3100m34000mm8000mm1040mm10080mm9.02m3100m32

15、00m35000mm10000mm1300mm12600mm16.4m3197m3表2 發(fā)酵罐相關(guān)參數(shù) 不計上封頭的容積全容積攪拌槳直徑攪拌轉(zhuǎn)數(shù)電動機(jī)功率攪拌軸直徑冷卻方式58.3L64.6L112mm470r/min0.4kW25mm夾套112L123L135mm400r/min0.4kW25mm夾套218L239L168mm360r/min0.6kW25mm夾套595L649L245mm265r/min1.1kW35mm夾套1.25m31.36m3315mm220r/min1.5kW35mm夾套5.79m36.27m3525mm160r/min5.5kW50mm夾套9.98m310.8m3

16、630mm145r/min13kW65mm夾套20.86m322.6m3770mm125r/min23kW80mm列管51m355.2m31050mm110r/min55kW110mm列管109m3118m31350mm列管213m3230m31700mm列管3.2 發(fā)酵罐主要設(shè)計條件表3 設(shè)計參數(shù)項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注發(fā)酵產(chǎn)品谷氨酸工作壓力0.4MPa由任務(wù)書確定設(shè)計壓力0.4MPa由任務(wù)書確定發(fā)酵溫度（工作溫度）33根據(jù)任務(wù)書選取設(shè)計溫度150由工藝條件確定冷卻方式列管冷卻由工藝條件確定發(fā)酵液密度由工藝條件確定發(fā)酵液黏度由工藝條件確定根據(jù)常識，一個良好的發(fā)酵罐應(yīng)滿足下列要求： 結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，

17、經(jīng)得起蒸汽的反復(fù)滅菌，內(nèi)壁光滑，耐腐性好，以利于滅菌徹底和減小金屬離子對生物反應(yīng)的影響； 有良好的氣-液-固接觸和混合性能以及高效的熱量、質(zhì)量、動量傳遞性能； 在保持生物反應(yīng)要求的前提下，降低能耗； 有良好的熱量交換性能，以維持生物反應(yīng)最是溫度； 有可行的管道比例和儀表控制，適用于滅菌操作和自動化控制第4章 谷氨酸生產(chǎn)工藝流程簡介4.1 谷氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)參數(shù)表4 主要工藝技術(shù)參數(shù) 生產(chǎn)工序參數(shù)名稱指標(biāo)淀粉質(zhì)原料糖蜜原料1制糖（雙酶法）淀粉糖化轉(zhuǎn)化率%982發(fā)酵產(chǎn)酸率g/dl8.08.03發(fā)酵糖酸轉(zhuǎn)化率%50554谷氨酸提取提取收率%86804.2 谷氨酸生產(chǎn)原料及處理表5 原料及動力單耗表序

18、號物料名稱規(guī)格單耗(t/t)淀粉原料大米原料糖蜜原料1玉米淀粉含淀粉86%2.122大米含淀粉70%3.03糖蜜含糖50%3.974硫酸98%0.450.450.455液氨99%0.350.350.356純堿98%0.340.340.347活性炭0.030.020.108水3093093099電2000Kwh/t2000Kwh/t2000Kwh/t10蒸汽11.411.411.4谷氨酸發(fā)酵的主要原料有淀粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、乙醇、正烷烴(液體石蠟)等。國內(nèi)多數(shù)谷氨酸生產(chǎn)廠家是以淀粉為原料生產(chǎn)谷氨酸的，少數(shù)廠家是以糖蜜為原料進(jìn)行谷氨酸生產(chǎn)的，這些原料在使用前一般需進(jìn)行預(yù)處理。(一)糖蜜的

19、預(yù)處理谷氨酸生產(chǎn)糖蜜預(yù)處理的目的是為了降低生物素的含量。因為糖蜜中特別是甘蔗糖蜜中含有過量的生物素，會影響谷氨酸積累。故在以糖蜜為原料進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵時，常常采用一定的措施來降低生物素的含量，常用的方法有以下幾種。(1)活性炭處理法 用活性炭可以吸附掉生物素。但此法活性炭用量大，多達(dá)糖蜜的30%40%，成本高。在活性炭吸附前先加次氯酸鈉或通氯氣處理糖蜜，可減少活性炭的用量。(2)水解活性炭處理法 國內(nèi)曾有人進(jìn)行過用鹽酸水解甘蔗糖蜜，再用活性炭處理的方法去除生物素的實驗，并應(yīng)用于生產(chǎn)。(3)樹脂處理法 甜菜糖蜜可用非離子化脫色樹脂除去生物素，這樣可以大大提高谷氨酸對糖的轉(zhuǎn)化率。處理時先用水和鹽酸稀

20、釋糖蜜，使其濃度達(dá)到10，pH達(dá)2.5，然后在120下加壓滅菌20min，再用氫氧化鈉調(diào)pH至4.0，通過脫色樹脂交換柱后，將所得溶液調(diào)pH至7.0，用以配制培養(yǎng)基。(二)淀粉的糖化絕大多數(shù)的谷氨酸生產(chǎn)菌都不能直接利用淀粉，因此，以淀粉為原料進(jìn)行谷氨酸生產(chǎn)時，必須將淀粉質(zhì)原料水解成葡萄糖后才能供使用。可用來制成淀粉水解糖的原料很多，主要有薯類、玉米、小麥、大米等，我國主要以甘薯淀粉或大米制備水解糖。淀粉水解的方法有三種：1酸解法 用酸解法生產(chǎn)水解糖，其工藝流程如下：原料(淀粉、水、鹽酸)調(diào)漿糖化冷卻中和脫色過濾除雜糖液(1)調(diào)漿 原料淀粉加水調(diào)成1011°Be´的淀粉乳，用

21、鹽酸調(diào)pHl.5左右，鹽酸用量(以純鹽酸計)約為干淀粉的0.50.8。(2)糖化 首先要在水解鍋內(nèi)加部分水，加水后將水解鍋預(yù)熱至100105,(蒸汽壓力為0102MPa)隨后用泵將淀粉乳送至水解鍋內(nèi)迅速升溫，在表壓為0.250.4MPa之間保壓，一般水解時間控制在1020min，即可將淀粉轉(zhuǎn)化成還原糖。(3)冷卻 中和溫度過高易形成焦糖，脫色效果差；溫度低，糖液黏度大，過濾困難。因此，生產(chǎn)上一般將糖化液冷卻到80以下。(4)中和 淀粉水解完畢，酸解液pH僅為15左右，需用堿中和后才能用于發(fā)酵。中和的終點(diǎn)pH一般控制在4.55.0左右，以便使蛋白質(zhì)等膠體物質(zhì)沉淀析出。(5)脫色 酸解液中尚存在著

22、一些色素和雜質(zhì)需通過脫色除去。脫色可采用活性炭吸附，活性炭是經(jīng)過特殊處理的木炭，為黑色無定形粉末，不溶于任何溶劑，質(zhì)松多孔，表面積很大，具有很大的吸附能力。它將具有脫色與助濾兩方面作用。(6)過濾除雜 經(jīng)中和脫色的糖化液要充分沉淀12h，待液溫降到4550，用泵打人過濾器除雜質(zhì)，過濾后的糖液送貯糖桶貯存，到此為止，淀粉糖化過程全部結(jié)束，制成的糖化液供發(fā)酵使用。2酶解法 先用-淀粉酶將淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶將糊精和低聚糖進(jìn)一步水解成葡萄糖的方法，稱為酶解法。谷氨酸菌能夠在菌體外大量積累谷氨酸，是由于菌體的代謝調(diào)節(jié)處于異常狀態(tài)，只有具有特異性生理特征的菌體才能大量積累谷氨酸。這樣的

23、菌體對環(huán)境條件是敏感的。也就是說，谷氨酸發(fā)酵是建立在容易變動的代謝平衡上的，是受多種發(fā)酵條件支配的。因此，控制最適的環(huán)境條件是提高發(fā)酵產(chǎn)率的重要條件。在谷氨酸發(fā)酵中，應(yīng)根據(jù)菌種特性，控制好生物素、磷、NH4+、pH、氧傳遞率、排氣中二氧化碳和氧含量、氧化還原電位以及溫度等，從而控制好菌體增殖與產(chǎn)物形成、能量代謝與產(chǎn)物合成、副產(chǎn)物與主產(chǎn)物的合成關(guān)系，使產(chǎn)物最大限度地利用糖合成主產(chǎn)物。為了實現(xiàn)發(fā)酵過程工藝條件最佳化，可采用電子計算機(jī)進(jìn)行資料收集、數(shù)據(jù)解析、程序控制。收集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，如攪拌轉(zhuǎn)速液量、冷卻水人口溫度和流量、通風(fēng)量、發(fā)酵溫度、pH、溶解氧、氧化還原電位等，還可準(zhǔn)確地取樣。控制操作者要求進(jìn)

24、行檢測和及時處理比增殖速度、比產(chǎn)物形成速度、比營養(yǎng)吸收速度、氧的消耗速度等數(shù)據(jù)，使操作條件最佳化4.3 谷氨酸生產(chǎn)工藝流程圖 淀粉 消泡劑 葡萄糖 消泡劑 水 水無機(jī)鹽 配料罐定容罐 定容罐配料罐 無機(jī)鹽 糖蜜 糖蜜玉米漿 二級種子罐 連消器 玉米漿純生物素 純生物素 實消 維持罐 斜面一級種子 降溫 換熱器 消泡劑 液氮 二級種培養(yǎng) 發(fā)酵罐 高濃度糖液 液氨 無菌空氣 圖1 谷氨酸發(fā)酵工藝流程圖 第5章 發(fā)酵罐選型及工藝計算5.1 發(fā)酵罐的設(shè)計與選型 發(fā)酵罐的選型 選用機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。 生產(chǎn)容積的確定 (1) 發(fā)酵罐容積的確定： 選用公稱容積為200m3的發(fā)酵罐。 (2) 生產(chǎn)能力的計算

25、： 若取發(fā)酵罐的填充系數(shù)j=70%， (3) 發(fā)酵罐個數(shù)的確定： 公稱容積為200m3的發(fā)酵罐，其全容積為230m3。5.2 主要尺寸的計算 發(fā)酵罐是由圓柱形筒體和上、下橢圓形封頭組成。 為了提高空氣利用率，罐的高徑比取2。 橢圓形封頭的直邊高度忽略不計，以方便計算。 解方程得 取5m。 圓柱部份容積V筒為： 上、下封頭體積V封為： 全容積驗算：符合設(shè)計要求，可行。5.3 冷卻面積的確定 根據(jù)部分谷氨酸廠的實測和經(jīng)驗數(shù)，谷氨酸放得發(fā)酵熱高峰值約3.3×104kJ/(m3·h)2，則冷卻面積按傳熱方程式計算如下： 式中 S冷卻面積，m2 Q換熱量，kJ/h Dtm平均溫度差，

26、 K總傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·) 230m3灌裝液量為：230×70%=161 m3KJ/h5.313×1061611043.3Q=´×= 設(shè)發(fā)酵液溫度33，冷卻水進(jìn)口溫度19，出口溫度25，則平均溫度差為： 采用豎式蛇管換熱器取經(jīng)驗值K取4.18×500kJ/(m2·h·)1，)m(76.317850018.45.313×106tKQS2m=´´=D=5.4 攪拌器設(shè)計由于谷氨酸發(fā)酵過程中有中間補(bǔ)料操作，對混合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪拌器。 該攪拌器的各部尺寸與罐

27、徑D有一定比例關(guān)系，六彎葉渦輪攪拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4現(xiàn)將主要尺寸列后1： 攪拌器葉徑Di為： 取1.7m。 葉寬B為： 弧長l為： 底距C為： 取1.7m。 盤徑di為： 葉弧長L為： 葉距Y為：彎葉板厚：=12（mm）取兩擋攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N2可根據(jù)50m3罐，攪拌直徑1.05m，轉(zhuǎn)速N1=110r/min。以等P0/V(單位體積液體所分配的攪拌軸功率相同)為基準(zhǔn)放大求得. 即： 式中 n2放大的攪拌器的轉(zhuǎn)速，r/min n1模型攪拌器的轉(zhuǎn)速，n=110r/min1 d1模型攪拌器直徑，d=1.05m1 d2放大的攪拌器直徑，d=1.7m 將各值代入上式取兩檔攪拌，攪拌

28、轉(zhuǎn)速79.78r/min。5.5 攪拌軸功率的確定 計算Rem淀粉水解糖液低濃度細(xì)菌醪，可視為牛頓流體。NDm2Re=式中 D攪拌器直徑，D=1.70m N攪拌器轉(zhuǎn)速， 醪液密度，=1080 kg/m3 醪液粘度，=2×10-3N·s/m2將數(shù)代入上式：視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)Np=4.7 不通氣條件下的軸功率計算： 式中 Np功率數(shù),Np=4.73 n攪拌器的轉(zhuǎn)速，n=1.33r/s d攪拌器直徑，d=1.7m 流體密度，=1080kg/m33 將各值代入上式 通氣發(fā)酵軸功率計算：式中 P不通氣條件下的軸功率，P=169.56KW n攪拌器的轉(zhuǎn)速，n=79.78r/mim

29、 d攪拌器直徑，d=170cm Q工況下的通氣量，(發(fā)酵罐通風(fēng)比：設(shè)通風(fēng)比VVm=0.20.4，取低限，如通風(fēng)量變大，Pg會小，為安全，現(xiàn)取0.2則 將各值代入上式)KW(161.503220000017078.7956.1691025.2QndP1025.2P39.008.032339.008.0323g=÷÷øöççèæ´´´´=÷÷øöççèæ´´=- 求電機(jī)功率采用三角

30、帶傳動1=0.92；滾動軸承2=0.99，滑動軸承3=0.98；端面密封增加功率為1%；代入公式數(shù)值得：5.6設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計 (1) 空氣分布器： 本罐使用單管進(jìn)風(fēng)。 (2) 擋板： 本罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設(shè)擋板。 (3) 消泡漿： 本罐使用圓盤放射式消泡漿。 (4) 密封方式： 本罐擬采用雙面機(jī)械密封方式，處理軸與罐的動靜問題。 (5) 冷卻管布置： 使用的是豎直蛇管冷卻裝置。5.7 豎直蛇管冷卻裝置設(shè)計(1) 求最高熱負(fù)荷下的耗水量W為：. 式中 Q每1m3醪液在發(fā)酵最旺盛時，1h的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積， Cp冷卻水的比熱容，Cp=4.18kJ/(kg·)2 t

31、2冷卻水終溫，t2=25 t1冷卻水初溫，t1=19 將各值代入上式 冷卻水體積流量為0.0589m3/s，取冷卻水在豎直蛇管中流速為1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積總A總為： 式中 W冷卻水體積流量，W=0.0411m3/s V冷卻水流速，V=1m/s代入上式 進(jìn)水總管直徑d總為： 查表選取Dg299×7。 (2) 冷卻管組數(shù)和管徑： 設(shè)冷卻管總表面積為A總，管徑d0，組數(shù)為n，則 現(xiàn)根據(jù)本罐情況，取n=9，求管徑。由上式得 經(jīng)查表選取108×5無縫管，d內(nèi)=98mm，d平均=103mm。 現(xiàn)取豎蛇管圈端部U型彎管曲徑為300mm，則兩直管距離為600mm，兩

32、彎管總長度l0為： (3) 冷卻管總長度L計算： 冷卻管總面積S=317.76m2。現(xiàn)取無縫鋼管108×5，. 冷卻管占有體積V管為： 取冷卻管組n=9。 (4) 每組管長L0為： 另需連接管1.8m， 可排豎直蛇管的高度設(shè)為靜液面高度，下部可伸入封底209mm。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為0.63m3，則總占有體積為： 筒體液面為：( 豎直蛇管總高H管為： 取管間距為0.6m。 又兩端彎管總長l0為： 兩端彎管總高1.2m。 則一圈管長L為： (5) 每組管子圈數(shù)n0為： 取5圈。現(xiàn)取管間距為： 豎蛇管與罐壁的最小距離為0.10m。 最內(nèi)層豎蛇管與罐壁的最小距離為： 與攪拌器的距離為：

33、 在允許范圍內(nèi)。 (6) 校核布置后冷卻管的實際傳熱面積：故可滿足需求。5.8 備材料的選擇 為了降低設(shè)備造價費(fèi)用，本設(shè)備選用A3碳鋼材料，精制時用除鐵樹脂除去鐵離子。5.9 發(fā)酵罐壁厚的計算 根據(jù)壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程規(guī)定，發(fā)酵罐屬于一級壓力容器，因此，其設(shè)計、制造、安裝以及使用均須遵照該規(guī)定。設(shè)計計算須按GB150-1998鋼制壓力容器進(jìn)行。 (1) 內(nèi)壓圓筒厚度計算： 式中 圓筒的設(shè)計厚度，mm p設(shè)計壓力，p=0.4MPa Di圓筒的內(nèi)直徑，Di=5000mm T設(shè)計溫度下圓筒材料的許應(yīng)用力，T=124.5MPa1 焊縫系數(shù)，=0.91 C1鋼板的厚度負(fù)偏差，C1=0.8mm1 C2

34、腐蝕裕量，C2=1mm2 將各值代入上式 查附表可選用12mm厚的碳鋼鋼板。查附表知：公稱直徑為5000mm ，壁厚為12mm ，1m高筒節(jié)鋼板質(zhì)量為1483kg 2。 (2) 橢圓形封頭厚度計算： 式中 圓筒的設(shè)計厚度，mm p設(shè)計壓力，p=0.4MPa Di圓筒的內(nèi)直徑，Di=5000mm T設(shè)計溫度下圓筒材料的許應(yīng)用力，T=124.5MPa 焊縫系數(shù)，=0.9 將各值代入上式 查附表可選用10mm厚的碳鋼鋼板。5.10 接管設(shè)計 (1) 接管的長度h設(shè)計： 各接管的長度h根據(jù)管徑大小和有無保溫層，進(jìn)行選擇。本罐的輸料管可選擇不帶保溫層的，查表接管長度可取h=150mm2。 (2) 接管直

35、徑的確定：. 接管直徑的確定，主要根據(jù)流體力學(xué)方程式計算。 以排料管為例計算管徑。本罐實裝161m3，設(shè)1.5h之內(nèi)排空，則排料時的物料體積流量qv為：)s/m(030.01.53600161q3v=´= 取發(fā)酵醪流速 V=1(m/s)，則排料管截面積A物為： 則排料管直徑d為： 查表選取194×6無縫管，d內(nèi)=182mm，d平均=188mm2。 以通風(fēng)管為例計算管徑，通風(fēng)量Q1為：.5)s/m(07.1min)/m(64.4.40161Q331=´= 利用氣態(tài)方程式計算工作狀態(tài)下的風(fēng)量Qf為：)s/m(279.0202733327340.01.007.1Q3f=

36、+´´= 如取風(fēng)速V=25(m/s)，則風(fēng)管截面積Af為： 則氣管直徑d氣為： 查表選取133×4無縫管，d平均=129mm。. 因通風(fēng)管也是排料管，故取兩者的大值。即取194×6無縫管，可滿足工藝要求。 排料時間復(fù)核： 物流量Q為：5)h/m(030.01.53600161Q3=´= 物料流速V=1(m/s)，則管道截面積A為： 在相同的流速下，流過物料因管徑較原來計算結(jié)果小，則相應(yīng)流速比P為：)(146.11026.0030.0AQPv倍=´= 排料時間t為：)h(719 .1146 .11.5t=´=第6章 設(shè)計結(jié)果與

37、討論6.1 發(fā)酵罐參數(shù)設(shè)計匯總表6 發(fā)酵罐參數(shù)發(fā)酵罐發(fā)酵罐選型機(jī)械渦輪機(jī)攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐發(fā)酵罐容積200發(fā)酵罐總體積230發(fā)酵罐直徑D5m圓柱高H10m封頭高H1.3m發(fā)酵管壁厚S12mm冷卻裝置冷卻管實際傳熱面積334.57最高熱負(fù)荷下的耗水量58.85kg/s冷卻管組數(shù)9型號1946無縫管接管直徑133mm進(jìn)水總管直徑0.299冷卻管總截面積5.885×10-2排料管截面積0.026冷卻管管徑108mm每組管子圈數(shù)5圈每組管長110.33m輔助設(shè)備風(fēng)管截面積0.011空氣分布器單管進(jìn)風(fēng)氣管直徑0.194mm擋板不設(shè)擋板支座選擇裙式支座密封方式雙面機(jī)械密封6.2 輔助設(shè)備有關(guān)參數(shù) 表7 輔助設(shè)備參數(shù)6.3 攪拌器有關(guān)參數(shù)表8 攪拌器參數(shù)攪拌器攪拌器選型六彎葉渦輪攪拌器攪拌器葉徑1.7弧長0.64盤徑1.275葉寬0.34葉弦長0.425底距1.7葉距5彎葉板厚122.076×106轉(zhuǎn)速111r/min攪拌軸功率173.167KW通風(fēng)時軸功率164.17KW電動機(jī)功率182.18KW6.4 主要符號說明表9 符號說明符號意義單位糖液體積發(fā)酵罐總?cè)莘e發(fā)酵罐個