2m3谷氨酸发酵罐设计

江西科技师范学院 生物工程专业 化工原理课程设计 说明书 题目名称 2m3 产谷氨酸发酵罐的设计 专业班级 2009 级生物工程 1 班 学 号 20091502 20091501 20091483 学生姓名 唐盼 阙素云 周婷 指导教师 常军博士 2011 年 10 月 31 日 目录 一 设计方案的确定 1 1 1 谷氨酸的生产工艺流程 1 1 2 生产原料 1 1 3 发酵菌株 2 1 4 培养基的制备 2 二 发酵罐主体设计计算 3 2 1 发酵罐主要条件及主要技术指标 3 2 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 2 1 发酵罐的选型 3 2 2 2 发酵罐容积的确定 3 2 2 3 发酵罐装液量的确定 4 2 3 冷却装置的设计 4 2 4 罐体选料 5 2 4 1 罐体壁厚 5 2 4 2 封头壁厚计算 6 2 4 3 夹套直径 6 2 5 挡板的设计 6 2 6 搅拌器的设计 6 2 6 1 搅拌器的计算 6 2 6 2 搅拌轴功率的计算 7 2 7 管道设计 9 2 7 1 通风管管径计算 9 2 7 2 进出物料管 9 2 7 3 冷却水进出口管径 10 2 7 4 管道接口 10 2 8 仪表接口 10 三 其他附件选型 11 四 附录及图纸 12 附录 1 计算结果汇总表 12 附录 2 计算结果汇总表 13 五 总结 14 六 参考文献及资料 15 一 设计方案的确定 1 1 谷氨酸的生产工艺流程 谷氨酸的生产主要包括以下工作 谷氨酸发酵的原料处理和培养基的配制 子培养 发酵工艺条件的控制 谷氨酸提取 谷氨酸的精制 发酵法生产谷氨酸的工艺流程如下 硫酸盐 玉米浆 镁盐等 图 1 谷氨酸生产工艺流程图 1 2 生产原料 谷氨酸生产时发酵原料的选择原则 首先考虑菌体生长繁殖的营养 考虑到有利 于谷氨酸的大量积累 还要考虑原料丰富 价格便宜 发酵周期短 产品易提取等因 素 目前谷氨酸生产上多采用尿素为氮源 采用分批流加 以生物素为生长因子 国 内大多数厂家用淀粉为发酵原料 主要有玉米 小麦 甘薯 大米等 其中甘薯的淀 粉最为常用 少数厂家用糖蜜为发酵原料 主要有甘蔗糖蜜 甜菜糖蜜 调 和 调 pH 淀粉酶 水解 中和 压滤 斜面 摇瓶种子 种子罐 发酵罐 粗谷氨酸 空气 空气净化系统 尿素储罐 预热 连消 等电点沉淀 1 3 发酵菌株 现有谷氨酸生产菌分属于棒状杆菌属 短杆菌属 小杆菌属及节杆菌属 目前工 业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌 乳糖发酵短杆菌 散枝短杆菌 黄色短 杆菌 噬氨短杆菌等 目前国内各味精厂所使用的谷氨酸生产菌主要有 1 纯齿棒状 杆菌 AS1 542 及其诱变株 B9 B9 17 36 F 263 等菌株 2 天津短杆菌 T613 及其 诱变株 FM 415 CMTC6282 S9114 等菌株 3 北京棒杆菌 AS1 229 及其诱变株 D110 等菌株 本实验选择北京棒杆菌 AS1 229 1 4 培养基的制备 培养过程 斜面培养 一级种子培养 二级种子培养 发酵罐 1 斜面培养基 葡萄糖 0 1 牛肉膏 0 5 蛋白胨 1 0 氯化钠 0 5 琼 脂 2 0 pH7 0 7 2 2 一级种子培养基 葡萄糖 2 5 尿素 0 6 KH2PO4 0 1 MgSO4 7H2O 0 04 玉米浆 2 3 3 0ml pH7 0 3 二级种子培养基 水解糖 12 14 尿素 0 5 0 8 玉米浆 0 5 0 6ml KH2PO4 0 1 0 2 MgSO4 7H2O 0 04 pH7 0 4 发酵培养基 水解糖 12 14 尿素 0 5 0 8 玉米浆 0 6ml MgSO4 7H2O 0 06 KCl 0 05 Na2HPO4 0 17 pH7 0 二 发酵罐主体设计计算 2 1 发酵罐主要条件及主要技术指标 根据常识 一个良好的发酵罐应满足下列要求 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 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 在保持 生物反应要求的前提下 降低能耗 有良好的热量交换性能 以维持生物反应最是 温度 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 项目及代号参数及结果备注 发酵产品谷氨酸由任务书确定 工作压力0 4MPa由任务书确定 设计压力0 4MPa由任务书确定 发酵温度 工作温度 32 根据任务书选取 设计温度150 由工艺条件确定 冷却方式夹套冷却由工艺条件确定 发酵液密度 3 m kg1080 由工艺条件确定 发酵液黏度 23 m sN100 2 由工艺条件确定 2 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 2 2 1 发酵罐的选型 选用机械搅拌通风发酵罐 2 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 初步选用公称容积为 2m3酵罐 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 设 根据设计条件发酵罐的公称体积为 2m3 2 0 DH 罐体直径 D 1055 31mm 取整为 1100mm 罐体总高度 H 2 5D 2 5 1100mm 2750mm 查阅文献 5 当公称直径 D 1100mm 时 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 容积 2 m398 1S 3 0 2 D 24 HD 4 V 3 f m198 0 V 则此时 与前面的假设相近 故可认为 D 1100mm 是9546 11100 2150D H0 合适的 发酵罐的全体积 2 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 公称容积 装料系数 2 70 1 4 1 v 3 m 2 3 冷却装置的设计 因发酵罐容积小于 5m3 故可以采用夹套冷却 发酵产生的总热量 h kJ105 3 072600018 4 Q 4 夹套传热系数 hm kJ250 15018 4 K 2 现取 K 4 18 220kJ m2 h 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 需冷却面积 F mm21506002750H2HH f0 3 2 b0 2 0 m44 2 1 1 6 1 025 0 215 2 1 1 4 D 6 1 h 2H D 4 V 8 6 2732 2332 ln 27322332 tt tt ln tt tt t 2 1 21 m 2 4 m m6 5 8 622018 4 105 3 tK Q F 核算夹套冷却面积 按静止液深确定夹套高度 静止液体浸没筒体高度 液深 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筒之和 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 并没有起多少冷 却作用 综上 传热需要的面积 F 5 6m2 该设计夹套能提供的冷却面积为 S夹 5 78 m2 S夹 F 可满足工艺要求 2 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 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 D 500mm 所以采用双面缝焊 接的方式与罐体连接 2 4 1 罐体壁厚 对于带夹套的容器 应该按外牙容器计算壁厚 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 取整 5mm D 罐体直径 mm P 耐受压强 取 0 4MPa 焊缝系数 双面焊取 0 8 设计温度下的许用应力 kg f cm2 16MnR 钢焊接压力容器许用应力为 150 170MPa C 腐蚀裕度 321 CCCC 式中 C1 钢板负偏差 现取 C1 0 8mm C2 为腐蚀余量 现取 C2 2mm m27 1 1 10 785 0 198 1 4 S VV H 2 f 0 mm57012701300HHH 0L 2 0 m78 5 398 1 72 11 114 3 SDHSSS mm62 4 3 4 08 01702 11004 0 C 2 PD C3 加工减薄量 现取 C3 0 2mm 2 4 2 封头壁厚计算 取整为 7mm D 罐体直径 mm P 耐受压强 取 0 4MPa 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 2 4 3 夹套直径 夹套直径与筒体直径的关系为 mm1200100DD 2 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 110 mm D 罐径 D 1100mm Z 挡板数 块 取 Z 6 块 2 6 搅拌器的设计 采用六弯叶涡轮式搅拌器 2 6 1 搅拌器的计算 直径 mm36011003 1D3 1Di 叶片宽度 弧长 盘径 叶弦长 搅拌器间距 底距 mm1083603 0D3 0h i mm135360375 0D375 0 r i mm27036075 0D75 0 d ii mm9036025 0 D25 0L i mm1100DD3Y i mm360DC i mm72 63 8 01702 3 211004 0 C 2 PDy S2 5 0Z D B 5 110 1100 5 0 B D 5 0Z mm32 028 0C 表 2 2m3发酵罐的几何尺寸 项目及代号参数及结果备注 公称体积 m3 2设计条件 全体积 m3 2 44计算 罐体直径 mm 1100计算 发酵罐总高 mm 2750计算 发酵罐筒体高度 mm 2150计算 搅拌叶直径 mm 360计算 椭圆封头短半轴长 mm 275计算 椭圆封头直边高度 mm 25计算 底搅拌叶至封头高 mm 360计算 搅拌叶间距 mm 1100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 2 6 2 搅拌轴功率的计算 通风搅拌发酵罐搅拌轴功率的计算有很多种方法 现在用迈凯尔式求搅拌轴功 率 并由此选择电机 淀粉水解糖液低浓度细菌醪 可视为牛顿流体 计算步骤如下 计算 Rem 式中 D 搅拌器直径 D 0 36m N 搅拌器转速 min r224 360 1050 110 D D NN 3 2 3 2 i 1 12 s r73 3 60 224 N ND Re 2 m 醪液密度 1080 kg m3 醪液粘度 2 10 3N s m2 将数代入上式 视为湍流 则搅拌功率准数 Np 4 7 根据参考文献 8 得 计算不通气时的搅拌轴功率 5 i 3 P0 DNNP 式中 Np 在湍流搅拌状态时其值为常数 4 7 N 搅拌转速 N 3 73r s Di 搅拌器直径 Di 0 36m 醪液密度 1080kg m3 代入上式 kW60 1 108036 0 73 3 7 4P 53 0 两挡搅拌kW2 36 12P2P 00 通气搅拌功率 Pg 的计算 式中 P0 多层搅拌输入的功率 kW N 搅拌转速 r min 取 224 r min 搅拌器直径 m 0 36m i D Q 通风量 ml min 设通风比 VVm 0 11 0 18 现取 0 18 则 Q 1 4 0 18 0 252 m3 min 故 求电机功率 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 代入公式数值得 kW21 0 252 0 6 32242 3 1025 2 Q NDP 1025 2 P 39 0 08 0 32 3 39 0 08 0 3 i 2 0 3 g 45 3 2 m 10106 2 102 108073 336 0 Re 39 0 08 0 3 i 2 3 g Q NDPo 1025 2 P 01 1 P P 321 g kW24 0 01 1 98 099 0 92 0 0 21 P 搅拌轴直径 1 3 dAP n n 为转速 单位为转 分 系数 A 可以取 97 149 取 已知 则得 120A minr224nkW24 0P 根据文献选轴径为 20mm 表 3 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224r min计算 不通气条件下的轴功率1 6kW计算 两层搅拌器轴率3 2kW计算 通气量0 252m3 min由工艺条件确定 通气搅拌功率0 21kW计算 电机的功率0 24kW计算 电机的选择型号 Y80M1 2 功率 0 75kW 转速 2825r min 效率 75 根据参考文献 7 选取 轴径20mm根据参考文献 7 选取 传动装置三角皮带根据参考文献 7 选取 2 7 管道设计 2 7 1 通风管管径计算 设罐压 0 4MPa 发酵温度 t 32 风速 v 20m s 通风量为 0 18VVm 常压下 t0 20 送风量 V 为 s m102 4min m252 0 18 0 4 1V 333 将通风换算成工作状态 求通风管直径 d1 取整 9mm 采用无缝钢管 管径 12 1 5mm 内径为 9mm 可满足生产要求 2 7 2 进出物料管 m103 8 6020785 0 293 303 4 0 1 0 102 4 60v785 0 t273 t273 P 1 0 V d 3 3 0 1 mm28 12 224 24 0 120 nP Ad 3131 该管为物料进口 按输送物料算 20min 送完 1 4m3物料 则物料流量为 管道截面为 F 物料流速为 v 0 5 1m s 现取 v 1m s 则 管径为 采用无缝钢管 管径采用 48 4mm 内径 40 mm 大于 39 mm 可满足生产要求 2 7 3 冷却水进出口管径 由前知需冷却热量 冷却水温变化 23 27 水比热容 则耗水量 W 为 取水流速 v 4m s 则冷却水管进出口直径为 2 7 4 管道接口 采用法兰接口 进料口 直径 48 4mm 开在封头上 排料口 48 4mm 开在罐底 进气口 12 1 5mm 开在封头上 排气口 12 1 5mm 开在封头上 冷却水进 出口 43mm 开在夹套上 补料口 48 4mm 开在封头上 取样口 48 4mm 开在封头上 2 8 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 型号 R 61 开在罐身上 溶氧探头 pH 探头 pHs 2 型 m039 0 785 0 1017 1 785 0 F d 3 2 s m5815 0 h kg2093 232718 4 105 3 ttc Q W 3 4 21w m43 0 785 04 5815 0 d h kJ105 3Q 4 max kg kJ18 4 cw s m1017 1 6020 4 1 V 33 23 3 m1017 1 1 1017 1 v V F SENDOF 5 1368HG 三 其他附件选型 设备结构的工艺设计 是将设备的主要辅助装置的工艺要求交代清楚 供制造加 工和采购时取得资料依据 其内容包括 1 空气分布器 对于好气发酵罐 分布器主要有两种形式 即 多孔式和单管式 对通风量较小 的设备 应加环型或直管型空气分布器 而对通气量大的发酵罐 则使用单管通风 由于进风速度高 又有涡轮板阻挡 叶轮打碎 溶氧是没有问题的 本罐使用直管型 空气分布器 型号规格为 KFQ 6T S GB 8070 1987 公称直径 270 2 挡板 挡板的作用是加强搅拌强度 促进液体上下翻动和控制流型 防止产生涡旋而降 低混合与溶氧效果 本罐设挡板 共 6 块 3 手孔 手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 个手孔 标准号为 手孔 FS A XB350 250 0 6 HG T21535 2005 公称直径 250 开在顶封头上 位于左边轴线离中心轴 150mm 处 4 视镜 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 150mm 处 标记为视镜 Pg1 0 DN80 HGJ501 86 14 5 轴封 轴封的作用 使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封 防止泄漏和污染杂菌 本 次设计采用端面式轴封 基本构件是动环和静环 垂直于轴线的动环和静环光滑表面 紧密地相互贴合 并作相对转动而达到密封 6 联轴器及轴承 采用法兰将搅拌轴连接 为了减少震动 在发酵罐内装有底轴承 7 支座 发酵设备常用支座分为卧式支座和立式支座 其中卧式支座又分为支腿 圈型支 座 鞍型支座三种 立式支座也分为三种即 悬挂支座 支撑式和裙式支座 对于 5m3以下的发酵罐 应选用支撑式支座 本设计选用支撑式支座 四 附录及图纸 附录 1 计算结果汇总表 项目结果单位 实际全容积 V 2 44m3 罐体直径 D 1 1m 直筒高 H0 2 15m 封头直边高度 hb 25 mm 封头椭圆短半轴长度 ha 275 mm 总热负荷 Q总 3 5 104 kJ h 装料量 VL 1 4m3 装料高度 HL 1 57m 所需传热面积 F 5 6m2 实际传热面积 F实际 5 78m2 耗水量 W 2093kg h 25 水的比热 Cp 4 18kJ kg 25 水的密度 水 1kg m3 搅拌器叶径 Di 360mm 叶宽 di 108mm 底距 C 360mm 叶距 Y 1 1m 搅拌器转速 N 224r min 雷诺数 Re 2 6 105 功率准数 Np 4 7 单层搅拌功率 P0 1600W 两层搅拌功率 P0 3200W 通风量 Q 0 252m3 min 通气搅拌功率 Pg 210W 电机功率 P电 240W 罐体壁厚 S 5mm 封头壁厚 S2 7mm 附录 2 计算结果汇总表 项目及代号参数及结果备注 罐体材料16MnR 钢制由工艺条件确定 焊接方式双面缝焊接由工艺条件确定 罐体筒壁厚5mm计算 封头壁厚7mm计算 搅拌器类型六弯叶涡轮式搅拌器根据参考文献选取 搅拌叶直径360mm计算 搅拌器层数2由工艺条件确定 手孔1 个 标准号 HG T21535 2005 根据参考文献 5 选取 视镜2 个 标准号 HGJ501 86 14根据参考文献 5 选取 进 排料口直径 48 4mm计算 进 出气口直径 12 1 5mm计算 冷却水进 出口直径 43mm计算 补料口直径 48 4mm计算 取样口直径 48 4mm计算 温度计装配式热电阻温度传感 Pt100 型 根据参考文献 6 选取 支座 支撑式支座根据参考文献 6 选取 压力表Y 250Z根据参考文献 6 选取 液位计R 61根据参考文献 6 选取 溶氧探头SE N DO F根据参考文献 6 选取 pH 探头pHs 2 型根据参考文献 6 选取 五 总结 化工原理课程设计我们组设计的是 2m3的机械搅拌通风发酵罐 根据所需设计的 发酵罐的体积 我们通过上网和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 进行工艺计算 主要设备工作部件 如罐体 罐体壁厚 封头壁厚计算 搅拌器 仪表