年产200吨L-精氨酸全厂设计说明书.doc

毕业设计说明书题目年产200吨L-精氨酸全厂设计学 院生命科学与技术学院专 业生物工程班 级2007级2班学 号 0713100315学生姓名 王宏明指导教师 莫柏立二一一年六月 年产200吨L精氨酸全厂设计 摘要 本设计主要是进行年产200吨L-精氨酸工厂设计。 在对L-精氨酸国内外生产现状作了分析后，拟在南宁市高新区投资L-精氨酸生产工厂。首先对L-精氨酸的生产工艺作了优化设计，采用辅料分批添加发酵的方法，提高L-精氨酸的产量，然后依据拟定的产量与工艺流程对生产车间进行了物料衡与主要生产设备的选型，同时，对水、电、汽的用量也进行了估算。其次，对公用工程、三废处理及综合利用等方面也作了一个初步的设计方案。 整个设计充分考虑了目前的经济状况和今后发展的需要，从节能的角度出发选择设备。生产流程尽量提高机械化、自动化水平，同时力求技术上先进，质量上可靠，布局上合理、规范。 关键词：L-精氨酸 发酵 工厂设计 Whole plant design of L-arginine factory with annunl proudaction of 200 tons AbstractThis design is primarily for the annual treatment of 200 tons L-ArginineOn the basis of investigation for the global and Chinas L-Arginine production and processing status，the design analyses our countrys concentrated L-Arginine production and trade statusIt p1an to invest to build a concentrated L-Arginine production plant in nanning High-tech ZoneFirst to L-Arginine production technology, using the optimal design method of complementary makings partial add fermentation, improve production of n-acetylcysteine arginine First of all，calculate the number of production materials and aequum for the production workshop based on the elementary output; moreover, make a technologic design for the workshop and do the major equipment sampling according to the demand of the international marketThirdly, make a preliminary design for the public sector and earthwork；at the same time，estimate the usage and the costs of water, electricity and fuel. Finally, the design also makes the necessary technological and economic analysisThis design takes full account of current economic situation and future development needs，chooses equipments from the perspective of energy-efficientProduction processes to maximize mechanization, automation level，while seeking to technically advanced, reliable quality, reasonable and normal layoutKeywords：L-Arginine，fermentation, design目录第一章 绪论- 1 -1.1 L-精氨酸的性质- 1 -1.2 立题的背景与意义- 1 -1.2.1 L-精氨酸的营养生理功能- 1 -1.2.2 发酵法生产L-精氨酸的研究进展- 2 -1.2.3 L-精氨酸在医药与食品工业中的应用- 2 -1.2.4 本设计拟定的工作内容- 2 -1.3 设计原则- 3 -1.3.1 符合国家的方针政策- 3 -1.3.2 卫生条件符合产品规格要求- 3 -1.3.3 结合当地实情，节约投资，降低成本- 3 -1.4 厂址的选择- 3 -1.5 产品方案及班产量的确定- 4 -1.5.1 产品方案- 4 -1.5.2 班产量的确定- 4 -第二章 工艺流程及论证- 5 -2.1 L-精氨酸的生产方法- 5 -2.2发酵菌种与培养基原料- 5 -2.2.1 发酵菌种与发酵周期- 5 -2.2.2 种子培养和发酵培养基- 5 -2.3 工艺流程- 6 -2.4 工艺流程论证- 7 -2.4.1 发酵的控制- 7 -2.4.2 提取工艺- 8 -第三章 物料衡算- 10 -3.1 L-精氨酸发酵工艺技术指标- 10 -3.2 发酵车间的物料衡算- 10 -3.2.1 发酵车间的物料衡算- 10 -3.2.2 发酵车间的物料衡算结果列表- 13 -第四章 设备选型与设计- 14 -4.1 发酵罐的选型与设计- 14 -4.1.1 发酵罐的选型- 14 -4.1.2 发酵罐的设计- 14 -4.1.2.1发酵罐个数的确定- 14 -4.1.2.2主要尺寸的计算- 15 -4.2 种子罐的选型与设计- 24 -4.2.1二级种子罐容积和数量的确定- 24 -4.2.2主要尺寸的确定- 24 -4.3 空气分过滤器- 29 -4.4 补料罐的设计- 30 -4.4.1 材料选择- 30 -4.2.2 补料罐个数与尺寸的确定- 30 -4.5发酵车间设备一览表- 32 -第五章 全厂与车间布置设计- 33 -5.1全厂平面布置设计- 33 -5.2 生产车间平面布置- 33 -第六章 水、汽、电用量估算- 34 -6.1年用水量估算- 34 -6.2 年蒸汽用量估算- 35 -6.3 用电量估算- 36 -第七章 公用工程、辅助设施与三废处理- 38 -6.1公用工程- 38 -6.2辅助设施- 38 -6.3 三废处理- 39 -致谢- 40 -主要参考资料- 41 - 42 -第一章 绪论1.1 L-精氨酸的性质L-精氨酸是碱性氨基酸,英文名为L-Arginine(L-1-Amino-4-guanidovaleric acid),简称L-Arg,化学名为-氨基-胍基戊酸,分子式为,相对分子质量174.4，结构式如下：它在体内的活性构象为L型,即L-Arg。L-精氨酸为白色结晶或结晶性粉末，微有特异味。熔点244（分解）。重结晶后，于105失去结晶水。易溶于水但难溶于乙醇，在乙醚中几乎不溶。L-精氨酸的比旋光度D20=+12.5，不同基团在25时的解离常数为pK1(-COOH)=2.17；pK2(-NH4+)=9.04；pKR(胍基)=12.48；等电点为10.761。1.2 立题的背景与意义 1.2.1 L-精氨酸的营养生理功能L-精氨酸作为功能性氨基酸，近年来有关其营养与生理功能的研究日益增多。精氨酸的重要生理功能体现在：一、对机体的免疫调节，促胸腺作用，给动物补充精氨酸后胸腺增重是由于促进了动物胸腺细胞构成和胸腺细胞的排出，提高了对促分裂素的转化，而且精氨酸促胸腺的作用起动迅速；抗肿瘤作用，精氨酸能延长肿瘤病毒的潜伏时间、减少肿瘤的尺寸和缩短肿瘤减退的时间；对烧伤、脓毒症和外伤的作用，精氨酸提高了组氨酸和急性期蛋白的合成，促进伤口愈合，还可阻止T淋巴细胞数量降低2。二、精氨酸的营养作用，精氨酸的营养作用机理，人类静脉注射 L-精氨酸(0.5g/kg 体重)可促进生长激素的释放，可刺激人和其它哺乳动物包括牛、羊和猪的胰岛素释放3精氨酸的营养需要 ，婴儿与幼年动物体内的精氨酸合成不足，在婴儿膳食中添加L-精氨酸，可防止出现皮症，生长迟缓和顽固性高氨血症等L-精氨酸缺乏综合症4。1.2.2 发酵法生产L-精氨酸的研究进展早在二十世纪七十年代国外就开始研究发酵法生产L-精氨酸，日前，日本、美国、德国等均采用发酵法生产L-精氨酸，且在产量、品种与技术上处于世界领先水平，其中日本在氨基酸的生产处于领先地位，其L-精氨酸产量稳定在60g/L。国内对L-精氨酸的研究主要集中于对发酵菌种的传统选育方面，对下游提取工艺的研究比较少，属于起步阶段，所以国内发酵法生产水平较低，目前主要还是从毛发当中提取制得。河南莲花味精股份有限公司用谷氨酸棒杆菌生产产酸率38gL-1，江南大学生物工程学院利用钝齿棒杆菌生产,发酵产酸率为37.2 gL-1，上海微生物研究所利用黄色短杆菌生产产酸率61.1gL-1，但国内的高产菌种不稳定，未能用于工业化，目前国内的发酵法生产L-精氨酸的产酸水平在30g/L4,与国外的先进水平还有很大的差距。受此限制，我国每年在进口L-精氨酸一个产品上的费用需要40到50亿元人民币5。1.2.3 L-精氨酸在医药与食品工业中的应用L-精氨酸是一种碱性较强的氨基酸，随着对其的营养生理功能研究的日益深入而逐渐受到重视，并被广泛应用于医药和保健品工业当中。临床上它是复方氨基酸输液的主要组成成分之一，我国结晶氨基酸输液剂发展惊人，每年都在增加2000年耗用L-精氨酸270吨,L-精氨酸HCl75吨,2007年L-精氨酸制剂耗用1585吨，L-精氨酸也被广泛用于病毒性肝炎的治疗，且有显著的疗效。另外还作为氨中毒性肝昏迷的解毒剂及肝功能的促进剂。在食品方面，L-精氨酸在食品工业中是不可缺少的调味剂，也是配制营养支持用和特殊支持用要素膳的重要原料。L-精氨酸-L-谷氨酸盐可作为忌钠患者的调味品6。1.2.4 本设计拟定的工作内容本设计拟定的工作内容包括工厂设计的基本内容，解决工厂设计所需要解决的主要问题，如厂址的选择，产品方案，生产工艺的论证，车间平面设计，全厂平面设计，物料与能量的衡算等，此外还包括设备选型，公用系统，三废处理等。1.3 设计原则1.3.1 符合国家的方针政策厂址应该选择于当地政府规划的工业区内，在车间的设计上必须以GMP为设计依据和准则，工艺流程的设计符合国家环保的要求，三废做到达标排放。1.3.2 卫生条件符合产品规格要求厂址附近有良好的卫生环境，没有有害气尘，以保证生产厂区的良好环境。生产车间要保持良好的洁净度，不同的车间环境要达到GMP的要求的洁净度。1.3.3 结合当地实情，节约投资，降低成本设计应充分考虑到当地的经济条件，厂区所在地有比较方便的运输条件，有一定的供电条件以满足生产的需要；有充足的水源且水质较好，符合卫生部颁发的饮用水质标准考，此外还要考虑到生产原材料的来源等。并留有一定的发展余地。1.4 厂址的选择广西的生物资源较为丰富，生物技术也独具优势，南宁市高新区制定了生物技术及医药产业发展思路，通过产学研的结合，增强企业技术创新和产品创新，使生物技术与医药产业很快成为高新技术开发区的特色优势产业。目前，已拥有生物工程和制药企业近200家，主要集中在中药制药，生物化工，生物食品，生物农业等领域，因此在南宁市高新区建立L-精氨酸生产工厂完全符合要求。南宁高新区地处南宁市区西北部，交通十分便利。城市主干道-快速环道、大学路与科园大道及鲁班路贯穿其中，环城高速公路从高新区北端穿行而过。园区主干道-科园大道由南至北延伸至环城高速的北端出入口；高新区距南宁火车站3公里，距集装箱内河码头3公里，距南宁机场30公里，距市中心区4公里，借助于城市主干道和各级道路网，可方便到达火车站、机场和码头等交通枢纽，交通状况良好。规划区上游集中分布着天雹水库等几个大型水库，山体向邕江排水，主要通过山体的人工水库经过可利江（相思湖）、心圩江和西明江自然排放，水资源非常丰富，另外高新区的基础设施配套齐全：高新区现已建成一批写字楼、标准厂房和住宅楼投入使用，交通、通信方便，供排水、供电、供气等基础设施齐全。规划区历史记载的最高气温为40.4，最低气温-2.1，年平均气温21.6；主导风向：冬季为东北风，夏季为东南风，年平均风速1.88米/秒，年平均降雨量1298.8毫米。 综合以上所述，南宁市高新技术开发区符合L-精氨酸工厂的建厂要求，所以本设计的工厂建立在南宁市高新技术开发区。设计占10000平方米。1.5 产品方案及班产量的确定1.5.1 产品方案 到目前为止，国家在氨基酸生产行业还缺失行业标准，这也是制约我国氨基酸健康发展的一大因素8。本设计的产品方案参照国外标准、日本氨基酸生产企业味之素的企业标准和中国药典里的标准。对于药用L-精氨酸中国药典里的标准是性状：白色结晶或结晶性粉末，成品中L-精氨酸的含量99.0%,透光率98%，pH10.5-12.0,比旋光率（20）+26.9-27.9，蛋白质检测：取1克样品溶解于10ml水当中，加20%三氯醋酸溶液5滴，不得生成沉淀9。本设计按药典的标准生产药用级的L-精氨酸。1.5.2 班产量的确定依据：年产200吨L-精氨酸按年生产天数300天算，则日生产量为200/3000.67吨/天。实行三班制，班产量为0.67/3=0.23吨/班，见下表1-1表1-1产品方案及班产量产品名称年产量/吨日产量/吨班产量/吨 L-精氨酸2000.670.23第二章 工艺流程及论证2.1 L-精氨酸的生产方法目前L-精氨酸的生产方法主要有以下几种：化学合成法酶法发酵法蛋白质水解法9。由于化学合成法过程复杂费用高，酶法的底物选择多样性，蛋白质水解法收率低，污染环境等都不适应现代L-精氨酸的生产要求，而发酵法是借助微生物具有合成自身所需氨基酸的能力，通过对菌株的诱变等处理，选育出各种营养缺陷型及氨基酸结构类似物抗性变异株，以解除代谢调节中的反馈抑制与阻遏，达到过量合成L-氨基酸的目，工艺过程简单，产量高，是目前国际是生产L-精氨酸的主要方法。 2.2发酵菌种与培养基原料培养基的组成与配比是否恰当影响着微生物的生长，产物的形成与产量；而提取工艺的选择，对产品的收率与产品质量起决定性作用，本设计选取的工艺条件是经过生产实践证明的，能保证生产切实可行。2.2.1 发酵菌种与发酵周期 本设计以黄色短杆菌为发酵菌种，其发酵周期为80小时，加上发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间，生产周期按96小时计，也就是四天为一个生产周期。2.2.2 种子培养和发酵培养基种子培养和发酵培养基以葡萄糖为主要碳源。1、 二级种子培养基（g/L)：葡萄糖30.0,辅料：玉米浆（CSL）20.0、5.0、尿素1.0、0.5、1.5、0.4、维生素H25、pH7.07.2。发酵培养基（g/L)：葡萄糖125.0,辅料：玉米浆（CSL）10.0、尿素1.0、1.5、30.0、0.5、维生素H50、维生素B1HCl1mg、pH7.07.2。2.3 工艺流程空气菌种原料 预处理 空气压缩机 斜面培养 摇瓶扩大培养冷却 双酶法糖化 活性碳脱色辅料 强碱性阴树脂一级种子罐扩大培养 气液分离淀粉水解糖超滤（截留分子量6000)二级种子罐扩大培养 过滤除菌灭菌 纯化液 降膜预浓缩 单效减压浓缩 发酵 (pH7.0,30-32) 絮凝剂 浓缩液 浓菌浆 陶滤 结晶锅冷却结晶 发酵清液 上清液板框过滤 离心 弱酸性阳树脂2mol/L氨水洗脱 湿菌块 干燥 高流分 干燥 母液 成品L-精氨酸 驱氨 饲料2.4 工艺流程论证本设计的产品的标准为成品含量99.0%，透光率98.0%，对下游的提取过程要求较高，具体过程如下：2.4.1 发酵的控制将斜面培养的菌种接种到摇瓶当中，在30，120r/min的条件下培养18个小时，然后接入一级和二级种子罐,在30，pH7.07.2，供氧的条件下，培养710个小时，使活菌浓度达到1.081.09108个/ml，以满足发酵用菌。种子扩大培养的培养基与发酵培养基基本相同，以缩短种子对新环境的适应时间，减少延滞期时间，缩短发酵周期。淀粉质原料的糖化：采用双酶化糖化，酶解化是用专一性很强的酶将淀粉水解为葡萄糖。1液化：将-淀粉酶加入淀粉乳中，在9397，pH6.07.0的条件下进行液化，然后升温到100灭酶，2糖化：液化完成后加入糖化酶，在pH6.06.2的条件下，在24小时内完成糖化。酶解法得到的糖液颜色浅、纯净、无苦味、质量高10。 发酵的控制：L-精氨酸的发酵条件的控制包括温度、pH、菌龄及接种量、通风及搅拌、氧的传递、泡沫等。用发酵条件来控制发酵过程中各种生化反应的方向和速度，以达到高产的目的。黄色短杆菌适合的生长温度在3035，但菌体生长与产酸时的主要酶不同，因酶的活力所温度影响，所以最佳生长温度与最佳产酸温度有差别，在发酵前期温度控制在30，以利于菌体的生产，后期控制在32，利于L-精氨酸的产生积累。pH也是影响酶的主要因素之一，黄色短杆菌的生长pH在7.0，发酵过程控制在此pH值。接种量：按照10%的接种量接种，以缩短菌体的生长期，缩短生产周期。溶氧：因为L-精氨酸发酵是好氧发酵，溶氧是发酵必需的，溶氧不足就会抑制菌体的生长和产酸量，所以发酵液中的溶氧应控制15%饱和氧浓度，通风比为0.2wm。泡沫的控制：发酵上消除泡沫的方法有两种，一是机械消泡，二是化学消泡剂消泡，常见的消泡剂有植物油（豆油、花生油等）、矿物油（石蜡油）、合成消泡（泡敌）。辅料分批添加：玉米浆主要用于菌体的生长，为菌体提供必要的氮源及维生素等营养物质，但浓度过高会抑制生长。通过在发酵过程中补加一定量的玉米浆可有效解决以上问题，因此12h 后每8h 按发酵液体积补加0.3玉米浆，硫酸铵直接用于发酵罐结果影响前期菌体的生长，延长发酵周期。因此，发酵罐上采取低初始浓度，后续补加的方法：12h 后每6h 按发酵液体积补加0.3的硫酸铵更有利于发酵产酸。发酵终了时，发酵液中L-精氨酸含量在5.5%左右。L-精氨酸的生物合成部方程式为：+ 葡萄糖的理论转化率为：=64.59%发酵液中含L-精氨酸5.5%,以1L发酵液计算，则糖酸转化率为： 2.4.2 提取工艺1陶滤发酵结束后，发酵液当中包含了大量的菌体，通过陶滤可以将大量菌体与发酵液分开，高压通量加低压通量稳定在5m3/h,L-精氨酸存在于陶滤后的上清液当中，浓菌将再用水洗， 浓菌浆体积为发酵液放罐体积的20%，浓缩了5倍，得到浓菌浆7-8m3。L-精氨酸收率98%。2弱酸性阳离子交换吸附洗脱L-精氨酸碱性氨基酸里碱性最强的，与苯乙烯磺酸根结合牢固不易洗脱，在强酸性阳树脂上选择性差，吸附的色素，蛋白质可与L-精氨酸一起洗脱下来，加重下游的负担，因此，选用弱酸性阳离子交换树脂吸附洗脱。可采用D155树脂，上柱液pH5.57.0，中性氨基酸不被吸附，随过流液除去。用2mol/L氨水洗脱，高流分含L-精氨酸1.5%2.5%，透光率30%50%，收率96%。3驱氨洗脱液当中含有大量的氨，可以用三效降膜浓缩器进行驱氨，进料量在7m3/h,经三效浓缩即可完成驱氨任务，收率在92%95%。4脱色，除杂经弱酸性阳树脂交换后的L-精氨酸液显淡黄色，透光率只有30%50%，还达不到药用级L-精氨酸透光率98%的要求，所以还要进一步的脱色和除杂，为了节约投资，选用活性碳、和强碱性阳离子交换树脂结合方法，驱氨后调pH9.510.0，用活性碳767在40下脱色，透光率可达90%以上，再经强碱性阳离子交换树脂711OH-进一步的脱色除杂，L-精氨酸不挂柱，这一步可除去全部的阴离子和一些可溶性蛋白质杂质，L-精氨酸的收率可达98%。5超滤要生产药用级的L-精氨酸，则应符合药曲的规定，采用超滤除热源蛋白质等大分子杂质。蛋白质检测：取1克样品溶解于10ml水当中，加20%三氯醋酸溶液5滴，不得生成沉淀，所以必需严格控制蛋白质的含量，超滤是控制蛋白质的必需步骤。收率98%。6单效减压浓缩结晶经过已上的提取步骤后，要得到纯品，还必需经过浓缩结晶工序。减压浓缩：在强制内循环浓缩锅内，加热面积20m2，初定容4m3，温度小于50，浓缩终容在1.52m3，L-精氨酸终浓度45%50%，时间3小时。浓缩液输入结晶锅，温度控制在4650，进行结晶，结晶过程中不断地补料使结晶过饱和析出，并不断析出。4.3整个提取过程收率整个提取过程收率为：陶率98%弱酸性阳离子交换96%驱氨95%脱色除杂98%超滤98%减压浓缩90%结晶83%=64% 第三章 物料衡算3.1 L-精氨酸发酵工艺技术指标表3-1 L-精氨酸发酵工艺技术指标指标名称单位指标数生产规模吨/年200生产方法黄色短杆菌发酵，离子交换法提取年生产天数天/年300产品日产量吨/天0.67产品质量纯度%99倒灌率%0.5发酵周期h80发酵初糖Kg/m3125淀粉糖转化率%98糖酸转化率%44L-精氨酸提取率%643.2 发酵车间的物料衡算3.2.1 发酵车间的物料衡算首先计算生产1000kg纯度为99%的药用级L-精氨酸需耗用的原辅材料及其他物料量。1发酵液量V1 式中 125发酵培养基初糖浓度（kg/m3） 44%糖酸转化率 99.5%除去倒灌率0.5%后的发酵成功率 64%L-精氨酸提取收率 2、发酵液配制需水解糖量G1 以纯糖算， 式中 125发酵液初糖含量（kg/m3）3 一二级种子液量 二级种子液量 V2液量 一级种子液量V1液量 V1液量=10% V2液量0.294一二级种子培养液所需水解糖量 G2 式中 30为一二级种液含糖量（kg/m3）5生产1000kgL-精氨酸需水解糖总量G为： 6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淀粉为：式中 86%淀粉原料含纯淀粉量 98%淀粉糖转化率7生产1000kg药用级L-精氨酸各种辅料的耗用量一级种子液量：290L，二级种子液量：2900L，发酵培养基液量：29000L则按照种子培养基与发酵培养基的各辅料配方计算各辅料用量为：玉米浆因为采用流加工艺，初始浓度为10g/L,发酵周期为80小时，12h 后每8h 按发酵液体积补加0.3的玉米浆,共加8次，则玉米浆用量为：也采用流加工艺，初始浓度为30.0g/L，12h 后每6h 按发酵液体积补加0.3的，共加11次，则的用量为：尿素的用量为：的用量为：的用量为：的用量为：维生素H的用量为：维生素B1HCl的用量为：3.2.2 发酵车间的物料衡算结果列表由上述生产1000kgL-精氨酸（99%纯度）的物料衡算结果，可求得200吨/年L-精氨酸发酵车间的物料衡算结果。具体计算结果如下表：表3-2 200吨/年L-精氨酸发酵车间物料衡算结果物料名称生产1000kg（1吨）L-精氨酸（纯度99%）的物料用量生产200吨L-精氨酸(纯度99%）的物料用量一二级种子发酵液（m3）3.19638发酵液（m3）295800水解糖总量（kg）3720.77.45105淀粉(kg)3392.956.8105玉米浆(kg)354.57.1104尿素(kg)32.26440(kg)19.33860(kg)45.19020(kg)981.72.0105(kg)1.3260维生素H(kg)1.53306维生素B1HCl(g)0.0295.8 第四章 设备选型与设计4.1 发酵罐的选型与设计4.1.1 发酵罐的选型当前，我国谷氨酸发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐，即大家常说的通用罐，L-精氨酸的发酵生产是好氧发酵，需要提供足够的溶氧才能保证发酵的正常进行，因此选用机械涡轮搅拌通风发酵罐，选用这种发酵罐的原因主要有：历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。4.1.2 发酵罐的设计4.1.2.1发酵罐个数的确定 年产200吨L-精氨酸,全年的生产天数为300天，则每天产200/300=0.67吨，需要发酵液的体积为： 发酵罐的填充系数=70%；则每天总共有发酵罐的体积为V0 发酵周期为80小时，生产周期为96小时，即四天。发酵罐个数的确定：现选取公称体积为20m3的发酵罐，总体积为22.6 m3 取公称体积20m3 发酵罐6个，其中一个留作备用。实际产量验算：富裕量 能够满足生产需要。4.1.2.2主要尺寸的计算公称容积，是指罐的圆柱部分和底封头容积之和。并圆整为整数：上封头因无法装液，一般不计入容积。罐的全容积，是指罐的圆柱部分和两封头容积之和。1 罐径与罐体高度现在按公称容积20m3，全罐的体积为：22.6m3，取高径比为H：D=211，高径比小，有利于发酵罐的溶氧，封头与圆柱罐体的焊接处的直边高度不纳入体积，则： 根据圆柱体体积与椭圆的体积计算公式有： 解方程得： 直径计算出来后，应将其值圆整到接近的公称直径系数12，查吴思方的生物工程工厂设计概论2007年版，附表25（281）通用式发酵罐系列尺寸表，则D取2.3, H=2D=22.34.6(m)查阅文献13，当公称直径D为2.3m时，标准椭圆封头的曲面高度H为D/4，即0.575m，焊接处的直边高度h为0.04m，则总深度为： 封头容积 ： V封圆柱部分容积： V筒两者之和为全容积 则设计的发酵罐其尺寸符合要求，能够满足生产工艺的需要。2 搅拌器的设计机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种形式，由于L-精氨酸发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此采用六弯叶涡轮搅拌器。六弯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，根据搅拌器型式及主要参数HG/T2123-1991标准，知20m3发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶，搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4，搅拌器直径：Di=D/3 搅拌器直径：Di= 叶宽：B= 弧长= 底距 盘径 叶距Y=D=0.77(m) 叶弦长L=0.25Di=0.250.77=0.193(m) 弯叶板厚=14(mm) 相邻搅拌叶轮间距S=2Di=1.54(m) 取两档搅拌，转速可以50立方米罐的现有数据比例求得，已有数据：搅拌直径D11.05m,转速N1110r/min,以P0/V为基准求得 3 搅拌功率的计算L-精氨酸的发酵液为低浓度醪液，可视为牛顿液体，依据化工工艺设计手册用修正的迈凯尔公式求得。设计参数：醪液密度=1050kg/m3 醪液粘度=1.310-3Ns/m2 搅拌器直径D=0.77m 搅拌器转速N=135/60=2.25(r/s)I计算Re 可见把L-精氨酸发酵液视为牛顿液体是正确的，为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7II由Np可以算出不通气时发酵罐搅拌轴功率P0： 因为搅拌轴有两档搅拌叶，所以搅拌轴总功率P为2P0=30.4（kw)III通风时的轴功率Pg 式中 P0不通风时搅拌轴功率（kW） N轴转速，N=135r/min D搅拌器直径（cm），D3=0.773106=4.6105 Q通风量（ml/min），设通风比为0.110.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。现取0.11；则Q=15.820.11106=1.74106（ml/min） 代入上式： IV 电动机的功率采用三角带传动1=0.92；滚动轴承2=0.99，滑动轴承3=0.98；端面密封增加功率为1%7；代入公式数值得 查手册选取电机30kw一台。4冷却装置设计20m3发酵罐的体积比较大，比表面积小，夹套蛇管等形成的冷却面积已无法满足生产要求，于是使用内置的列管装置，以水作冷却介质。设计参数：L-精氨酸发酵产热4.186000kJ/(m3h)。设计发酵罐装料系数：取70%换热器传热系数K取经验值：K=4.18500 kJ/(m3h)发酵罐装料液体积：I 最高热负荷下的耗水量： 式中：Q总每1m醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积：Q总=4.18600015.82=4.0105KJCp冷却水的比热容，4.18KJ/(Kg.K)T2冷却水终温，27T1冷却水初温，20 将各值代入上式， II 冷却管冷却面积的计算按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。平均温差t： t= 3232 202712 5 代入 t=8换热面积：=24III冷却管总截面积冷却水的流量为3.8kg/s,，取冷却水在竖直蛇管中流速1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积S总为： 式中，w冷却水体积流量，w=3.810m/s V冷却水流速，v=1m/s 代入上式，S总=3.810()进水总管直径IV 冷却管组数和管径设管径为d0，组数为n,则冷却管的总表面积S总 根据本罐情况，取n=8，求管径，由上式得： 查国家标准：锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管（GB13296-91），选取271.2无缝管，d内=24.6mm，d平均=25.8mm。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l0 V 冷却管总长度L计算：根据II的计算结果可知，冷却管总的热交换面积F=24，以无缝钢管271.2作为冷却用管，需要的总长度为： 每米长冷却面积为F0=3.140.02581=0.081(m2) 需要的总长度L=F/F0=296.3(m)冷却管在发酵罐内占用的体积为：V=0.7850.0272177.8=0.17（m3）VI 每组管长l0和管组高度 另需连接管8m：l实际=L+8=304.3（m）可排竖直列管的高度，设为静液面高度，下部不伸入封头。设发酵罐内附件占有体积为0.5m，则： 由此可以算出发酵罐内的液面高度为： 竖式蛇管总高H管=3.59(m)，取管间间距为0.5m，又两端弯管总长1.57m，两边弯管总高0.5m，则可算出直管部分高度H为：3.590.5=3.09m则一圈管长为： 每组管子圈数: L实=7.7558+48=342(m)296.3(m)管间距为2.5D外=2.50.027=0.0675(m)，竖直列管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出与搅拌器的距离为：在允许范围内（不小于200mm），核实布置后冷却管的实际传热面积为： S实=dL实=3.140.0285342=27.7(m3)24(m3)能满足实际生产的需要，设计符合需要。5接管设计I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100200mm。II接管直径的确定：按排料管计算：该罐实装醪量15.82m3，设0.5h之内排空，则物料体积流量发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物。管径：取无缝管108x4mm，认为合适。设计每个发酵罐有一个空气除菌系统，通风量按溶氧量计算：压缩空气在0.4MPa下，支管气速为2025m/s， 通风比为 0.2wm20，0.1Mpa下，Q=15.82x0.2=3.164m3/min=0.053m3/s计算到0.4Mpa，32状态下， 取风速v=20m/s，则风管截面积Ff为： Ff=0.785d2气，则气管直径d气为： 因通风管也是排料管，故取两者的大值，取108x4mm无缝钢管，则满足工艺求。排料时间复核：物料流量Q=0.0088m3/s，流速v=1m/s，管道截面积： 在相同流速下，流过物料因管径与原来计算结果相同，所以所用时间相同。6设备材料的选择考虑压力，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。L-精氨酸发酵是在pH7.0中性环境中进行的，对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用A3钢为材料，以降低费用，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。I发酵罐壁厚计算法确定发酵罐的壁厚S1 式中，P设计压力，取最高工作压力的1.05倍，P=0.4Mpa D内发酵罐内径，D=230cm A3钢的许用应力，【】=127Mpa 焊缝系数，其范围为：0.5至1，现取=0.7 C壁厚附加量，C=C1+C2+C3 C1钢板负偏差，取C1=0.8mm C2为腐蚀欲量，取C2=2mm C3加工减薄量，取C3=0，代入上式得 C=C1+C2+C3=0.8+2+0=2.8mm=0.28cm 选用8mm厚A3钢板制作，查生物工程工厂设计概论附录表17知，直径2.3m，厚度8mm，高4.6m，每米高重约为：596kg，则G筒=5964.6=2741.6(kg)。II封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下： 式中，P=0.4Mpa，D=230cm，=127Mpa，C1=0.08cm，C2=0.2cm，C3=0.1cm C=C1+C2+C3=0.38cm代入上式，得 查附表18圆整为S2=10mm，则查生物工程工厂设计概论附录表18，G封=474(kg)则，两封头总重高：2474=948(kg)。III人孔、档板、视镜和支座选择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。为增强发酵醪液湍动和溶氧传质，通常设4到6块档板，本设计取4块，按全档板的要求设计，则应该满足 式中： n档板的数目 b档板的宽度，mm D发