20M3机械搅拌通风发酵罐.doc

发酵商务论坛资料 课 程 设 计 课程名称 生物工程设备课程设计 题目名称 20M3机械搅拌通风发酵罐学生学院 专业班级 学 号 学生姓名 指导教师 2011年 12 月 27日大学课程设计任务书题目名称20M3机械搅拌通风发酵罐的设计学生学院专业班级姓 名学 号一、课程设计的内容1、通过查阅机械搅拌通风发酵罐的有关资料，熟悉基本工作原理和特点。2、进行工艺计算3、主要设备工作部件尺寸的设计4、绘制装配图 5、撰写课程设计说明书 二、课程设计的要求与数据生物工程3、4班：高径比为3，南方某地，蛇管冷却，初始水温18，出水温度281应用基因工程菌株发酵生产赖氨酸，此产物是初级代谢产物。牛顿型流体，二级发酵。学号末尾数为0 ： 15M3发酵罐；1号：50M3发酵罐；2号： 200 M3发酵罐2应用基因工程菌株发酵生产柠檬酸，此产物是初级代谢产物。牛顿型流体，二级发酵。3号： 60M3发酵罐；4号 75M3发酵罐 ； 5号 100 M3发酵罐3应用黑曲霉菌株发酵生产糖化酶，此产物是初级代谢产物。非牛顿型流体，三级发酵。6号： 15M3发酵罐； 7号: 20 M3发酵罐 ； 8号： 40 M3发酵罐； 9号：200 M3发酵罐(公称体积)三、课程设计应完成的工作1课程设计说明书（纸质版和电子版） 各1份2设备装配图（A2号图纸420*594mm）1张四、课程设计进程安排序号设计各阶段内容地点起止日期1上午布置及讲解设计任务；下午查阅资料及有关文献1-40619周周一2有关工艺设计计算图书馆19周周二至五3装配图绘制宿舍20周周一至三4撰写课程设计说明书宿舍20周周四、五五、应收集的资料及主要参考文献1 郑裕国. 生物工程设备M. 北京：化学工业出版社，20072 李功样, 陈兰英, 崔英德. 常用化工单元设备的设计M. 广州：华南理工大学出版社，20063 陈英南, 刘玉兰. 常用化工单元设备的设计M. 杭州：华东理工大学出版社，2005发出任务书日期：2008 年 6 月 30 日 指导教师签名：计划完成日期： 2008 年 7 月 11 日 基层教学单位责任人签章：主管院长签章：摘 要本文对黑曲霉菌株为原料合成糖化酶的主要反应设备作了设计和计算，包括发酵罐的容积及主要部件尺寸的确定，搅拌器的选型及功率计算，冷却设备的计算等。关键词：黑曲霉糖化酶发酵罐 目 录1 设计方案的拟定62 罐体几何尺寸的确定72.1夹套反应釜的总体结构72.2 几何尺寸的确定73 罐体主要部件尺寸的设计计算93.1 罐体93.2 罐体壁厚103.3 封头壁厚计算103.4 搅拌器103.5人孔和视镜113.6接口管113.6.1 管道接口113.6.2 仪表接口114 冷却装置设计124.1 冷却方式124.2 装液量134.3 冷却水耗量134.4 冷却面积145 搅拌器轴功率的计算155.1不通气条件下的轴功率P0计算155.2通气搅拌功率Pg的计算165.3电机及变速装置选用166 设计小结177 参考文献181 设计方案的拟定我设计的是一台20M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产糖化酶。糖化酶，也称葡萄糖淀粉酶（EC），主要用途是作为淀粉糖化剂。它与a-淀粉酶结合可将淀粉酶转化为葡萄糖，可供葡萄糖工业，酿酒工业和氨基酸工业等应用，是工业生产中最重要的酶类之一，也是我国产量最大的酶制剂产品。黑曲霉A.S.3.4309是国内糖化酶活性最高的菌株之一。糖化酶生产菌重要的有：雪白根霉，德氏根霉，河内根霉，爪哇根霉，台湾根霉，臭曲霉，黑曲霉，河枣曲霉，宇佐美曲霉，红曲霉，扣囊拟内孢霉，泡盛曲霉，头孢霉，甘薯曲霉，罗耳伏革菌。综合温度、PH等因素选择黑曲霉A.S.3.4309菌株，该菌种最适发酵温度为32-34，pH为4.5，培养基为玉米粉2.5%,玉米浆2%，豆饼粉2%组成。主要生产工艺过程为如下：菌种用蔡式蔗糖斜面于32培养6天后，移植在以玉米粉2.5%,玉米浆2%.组成的一级种子培养基中，与32摇瓶培养24-36h，再接入（接种量1%）种子罐（培养基成分与摇瓶发酵相同），并与32通气培养搅拌24-36h，然后再接入（接种量5%-7%）发酵罐。发酵培养基由玉米粉2.5%,玉米浆2%，豆饼粉2%组成（先用a-淀粉酶液化），发酵温度为32，在合适的通气搅拌条件下发酵96小时酶活性可达6000uml-1 。发酵液滤去菌体，如有影响糖化效率的葡萄糖甘转移酶存在， 则通过调节滤液PH等方法使其除去，再通过浓缩将酶调整到一定单位，并加入防腐剂（如苯甲酸）。如制备粉状糖化酶，则可通过盐析或加酒精使酶沉淀，沉淀经过压滤，滤泥再通过压条烘干，粉碎，即可制成商品酶粉。发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌装置，传动装置,轴封装置，人孔和其它的一些附件组成。这次设计就是要对20M3通风发酵罐的几何尺寸进行计算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、罐体和封头的壁厚；根据发酵微生物产生的发酵热、发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷却装置的设计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一些附件的确定,完成整个装备图，完成这次设计。这次设计包括一套图样，主要是装配图，还有一份说明书。而绘制装配图是生物工程设备的机械设计核心内容，绘制装配图要有合理的选择基本視图，和各种表达方式，有合理的选择比例，大小，和合理的安排幅面。说明书就是要写清楚设计的思路和步骤表1-1 发酵罐主要设计条件项目及代号参数及结果备注发酵菌种黑曲霉A.S.3.4309菌株根据参考文献1选取工作压力0.3MPa由工艺条件确定设计压力0.3MPa由工艺条件确定发酵温度（工作温度）33根据参考文献1选取设计温度150由工艺条件确定冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定培养基玉米粉2.5%,玉米浆2%，豆饼粉2%组成根据参考文献1选取发酵液密度由工艺条件确定发酵液黏度由工艺条件确定2 罐体几何尺寸的确定2.1夹套反应釜的总体结构 夹套反应釜主要由搅拌容器，搅拌装置，传动装置，轴封装置，支座，人孔，工艺接管和一些附件组成。搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺设计而定；传动装置是为为带动搅拌装置设置的，主要由电机，减速器，联轴器和传动轴等组成；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座，人孔，工艺接管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。182.2 几何尺寸的确定 根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=3，则H=3D初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（20m3） 公称体积V罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和全体积V0公称体积和上封头体积之和封头体积 V封=(/4)D2(hb+D/6) V0=(4)D2H+0.15D3(m3)（近似公式）假设H0/HD=2.5 ，根据设计条件发酵罐的公称体积为由公称体积的近似公式V0=(4)D2H+0.15D3可以计算出 罐体直径D=2115.4566mm，罐体总高度 H=3D=32115.4566mm=6346.3699mm取整为6346mm。查阅文献2 ，当公称直径DN=2300mm时，标准椭圆封头的曲面高度ha=575mm，直边高度hb=40mm，总深度为Hf=615mm，内表面积Af=6.0m2，容积Vf=1.76m3可得罐筒身高H0=H-2Hf=6346mm-2615mm=5116mm.则此时H0D=51162300=2.22，与前面的假设相近，故可认为D=2300mm是合适的发酵罐的全体积V=/4D2H0+2Vf=21.4847m3 20.0m3搅拌叶直径取Di=700mm，其中Di/D=700/23000.3符合Di/D=(0.3:0.4) 搅拌叶间距S=2Di=2700mm=1400mm底搅拌叶至底封头高度C=Di=700mm表2-1大中型发酵罐技术参数公称容量 筒体高度H(mm) 筒体直径mm 换热面积转速r/min 电机功率kw 10 3200 1800 12 150 7.5 21 4700 2200 21 154 30 30 6600 2400 34 180 45 50 7000 2800-3000 38-60 160 55 60 8000 3000-3200 65 160 65 75 8000 3200 84 165 100 100 9400 3600 114 170 130 200 11500 4600 221 142 215 表2-2 200m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积20设计条件全体积22计算罐体直径2300计算发酵罐总高5680计算发酵罐筒体高度4450计算搅拌叶直径700计算椭圆封头短半轴长575计算椭圆封头直边高度40计算底搅拌叶至封头高度700计算搅拌叶间距1400计算3 罐体主要部件尺寸的设计计算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16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆封头，因D500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。3.2 罐体壁厚1=PD(2 -P)+C(mm)5.54，取6mmD罐体直径（mm）p耐受压强 (取0.3MPa) 焊缝系数，双面焊取0.8 设计温度下的许用应力（kgf/cm2）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa）C 腐蚀裕度，当 C10mm时，C3mm3.3 封头壁厚计算，取9mm。D罐体直径（mm） p耐受压强 (取0.3MPa)y开孔系数，取2.3 焊缝系数，双面焊取0.8 设计温度下的许用应力（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa）3.4 搅拌器采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，根据d确定h和b的值尺寸：六平叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大；查阅文献2可知发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶叶径，则可以计算出盘径，叶高叶长3.5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。本次设计只设置了1个人孔，标准号为： 人孔RF（RG）450-0.6 HG21522-1995，公称直径450，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 PN1.0 DN80 HGJ501-86-173.6接口管以进料口为例计算，设发酵醪液流速为，2h 排尽。发酵罐装料液体积：V1 =15.4物料体积流量，则排料管截面积，又，得d=0.052m，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰HG20593-97，取公称直径50，。其他管道也是如此计算。3.6.1 管道接口 （采用法兰接口）进料口：直径，开在封头上，排料口：，开在罐底；进气口：，开在封头上；排气口：，开在封头上；冷却水进、出口：，开在罐身；补料口：，开在封头上；取样口：，开在封头上；3.6.2 仪表接口温度计；装配式热电阻温度传感器Pt100型，D100mm，开在罐身上；压力表；弹簧管压力表（径向型），d1=20mm，精度2.5，型号：，开在封头上；液位计：采用标准： 型号： 直径：，开在罐身上；溶氧探头：；pH探头：型；表2-3 发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果项目及代号参数及结果备注罐体材料16MnR钢由工艺条件确定焊接方式双面缝焊接由工艺条件确定罐体筒壁厚计算封头壁厚计算搅拌器类型六弯叶涡轮式搅拌器根据参考文献3选取搅拌叶直径计算搅拌器层数3由工艺条件确定人孔1个，标准号HG21522-1995根据参考文献3选取视镜2个，标准号HGJ501-86-17根据参考文献3选取进、排料口直径根据参考文献3选取进、出气口直径根据参考文献3选取冷却水进、出口直径由工艺条件确定补料口直径根据参考文献3选取取样口直径由工艺条件确定温度计装配式热电阻温度传感器Pt100型，D100mm压力表液位计溶氧探头pH探头型4 冷却装置设计4.1 冷却方式 发酵罐容量大，罐体的比表面积小。夹套不能满足冷却要求，使用蛇管冷却，综合比较列管的冷却效果好，在使用水作冷却介质时，选用列管。4.2 装液量 设计发酵罐装料系数：取发酵罐装料液体积：不计算下封头时的装液体积：装液高度：单位时间传热量发酵热装料量 即：各类发酵液的发酵热发酵液发酵热(kJ/h)青霉素丝状菌23000青霉素球状菌13800链霉素18800四环素25100红霉素26300谷氨酸29300赖氨酸33400柠檬酸11700酶制3 冷却水耗量由实际情况选用进出口水温为 、，则Q单位时间传热量Cp冷却水的平均比热，取4.186 kJ/ (kg ) t2-t1冷却水进出口温度差 对数平均温度差 ，由工艺条件知道=， t1冷却水进口温度t2冷却水出口温度 发酵温度 4.4 冷却面积根据实际取86 m2tm 对数平均温度差K传热总系数，取1.9 kJ/(m2 h)冷却面积() A=dL 冷却蛇管总长度(m) d蛇管内径，d外径壁厚 取573.5mm（径取5080mm，壁厚取3.55mm ）每圈蛇管长度D蛇管圈直径，3mhp 蛇管圈之间的距离，取0.15m每组蛇管圈数，则总圈数为34=12圈蛇管总高度表2-3 50发酵罐冷却装置设计计算结果项目及代号参数及结果备注装料系数70%由工艺条件确定装料体积计算装料高度计算总发酵热计算冷却水耗量计算冷却面积计算冷却蛇管总长度计算冷却蛇管总高度计算蛇管组数4组由工艺条件确定每组蛇管圈数3圈计算5 搅拌器轴功率的计算5.1不通气条件下的轴功率P0取发酵醪液黏度，密度，搅拌转速则雷诺准数因为Re，所以发酵系统充分湍流状态，即有效功率系数=4.7鲁士顿(Rushton J. H.)公式：P0无通气搅拌输入的功率（W）；功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；圆盘六弯叶涡轮 NP4.7涡轮转速（r/min）；液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取8001650 kg/m3 ；涡轮直径（m）；对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：m-搅拌器层数。5.2通气搅拌功率Pg的计算因为是非牛顿流体，所以用以下公式计算C系数， 时，取0.157多层搅拌输入的功率（kW）涡轮转速（r/min），取200 r/min涡轮直径（m），0.7mQ通气量（/min），取16 /min，取1.42/min计算5.3电机及变速装置选用根据搅拌功率选用电动机时，应考虑传动装置的机械效率。搅拌轴功率轴封摩擦损失功率，一般为传动机构效率根据生产需要选择三角皮带电机。三角皮带的效率是 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的 1%，则电机的功率搅拌轴直径，n为转速（单位为转/分），系数A可以取97-149，取已知，根据文献选轴径为85mm。表2-4 发酵罐搅拌功率的设计计算结果项目及代号参数及结果备注转速根据参考文献3选取不通气条件下的轴功率计算多层搅拌器轴率65.648k