20L高温发酵罐结构设计与控制开题报告.doc

2011届本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称 20L高温发酵罐的结构设计与控制专 业 过程装备与控制工程 专业方向 过程装备与控制工程 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 教 研 室 过程装备与控制 上海应用技术学院机械工程学院2011年 3 月 1 日1 课题简介发酵罐是一种对物料进行机械搅拌与发酵的设备。一般发酵罐采用内循环形式，通过搅拌桨分散和打碎气泡，使得发酵罐的溶氧速率高，混合效果好。发酵罐在工业上用来进行微生物发酵的装置。其主体一般为用不锈钢板制成的主式圆筒，其容积在1m3至数百m3。发酵罐的发酵材料采用优质不锈钢制造，发酵罐内表面镜面抛光Ra0.28m，外表面抛亚光、镜面、喷砂或冷轧原色亚光。发酵罐罐内配有自动喷淋清洗，符合GMP标准1。发酵罐在设计和加工中应注意结构严密，合理。能耐受蒸汽灭菌、有一定操作弹性、内部附件尽量减少(避免杀菌死角)、物料与能量传递性能强，并可进行一定调节以便于清洗、减少污染，适合于多种产品的生产以及减少能量消耗。2 课题研究的意义2.1 生产高温发酵罐的意义2高温发酵罐是广泛应用于国民生产的的设备，其发展和应用涉及制药、卫生、精细化工、饮料业、酿酒业、生物计算机、农业生产、国防建设、树脂、科研等等，高性能高效率的发酵罐将会给国民生产的众多领域带来极其深远的影响。具有控制调节温度能力、培养有益菌能力的高温发酵罐综合了传感器技术、微生物技术、化学工程技术，能够协作地实时监测、感知和调节发酵罐中的温度和细菌的繁殖生存数量与质量，并对这些监测的信息进行收集，获得详尽而精确的信息，传送给计算机系统，然后更有效地控制和调节发酵的过程，从而生产出要求更高的应用于特种行业的菌。由于发酵罐生产出的菌具有非常的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注， 被广泛地应用于军事工业，工业过程控制、环境监测，计算机工业等领域。要生产这些行业的特种菌类就必须拥有高性能的发酵罐。细菌利用工业被认为是影响人类未来生活的重要技术之一，这种新兴技术为人们提供了一种全新的工业生产的途径。由于各种本身细菌的特点，使得它与传统的工业生产工具的区别，给人们提出了很多新的挑战。由于细菌利用对国家和社会意义重大，国内外对于培养细菌的发酵罐的各种研究正热烈开展，希望能够引起测控领域对这一新兴技术的重视，推动对这一具有国家战略意义的新技术的研究、应用和发展。2.2 在工业领域中使用高温发酵罐意义随着各种细菌利用规模的不断扩大，提高生产效率，缩短周期，降低成本成为细菌发展新阶段的迫切要求。在这一背景下，我们更要生产出高性能，高效率的发酵罐。使得发酵罐符合将要生产的有益菌繁殖培养的这些环境特征，人们可以以较低的投资和使用成本实现对有益菌培养的的全面监测，获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数，并以此为基础实施优化控制，来达到提高产品质量，提高能源效率的目标。以计算机工业为例，近几年来，科学家是利用大肠杆菌设计出这种生物计算机的，并将这项发表于近日出版的生物工程杂志上。通过这种生物计算机，能够来解决称为“ 汉弥尔顿路径问题”(Hamiltonian Path Problem)的数学难题。假设一个人若要游览英国十座城市，从伦敦(第一个城市)出发，最后目的地为布里斯托尔(第十个城市)。“汉弥尔顿路径问题”需要解决的就是要找出你可以选择的最短路径。这个看似简单的问题却是出人意料地难以解决，因为可供选择的路径有350多万条。普通计算机要找出其中最短的路线需要花很长的时间，因为它一次只能尝试一条。而一台由数百万细菌组成的计算机则能同时考虑每一条路径。随着时间的流逝，细菌计算机实际上将随着细菌繁殖而增强其计算能力。然而“ 汉弥尔顿路径问题”并不是细菌计算机能解决的唯一问题。研究人员在去年曾研制了一个用以解决“翻煎饼问题”的细菌计算机。“翻煎饼问题”简单说就是要把一叠不同大小、半面焦且金黄焦面向下的煎饼，利用一只翻铲，将每一焦面全部向上，同时将最大片的置于底部，最后计算出此一问题的可能解答数。虽然貌似简单，其实“翻煎饼问题”运算量巨大。如果有6张煎饼，有46080种可能，12张煎饼有1.9万亿种可能。在“翻煎饼问题”计算机基础之上，科学家进一步研制出能解决 “汉弥尔顿路径问题”的细菌计算机。然而要解决大批量次的生产这种计算机就离不开这种大批量生产大肠杆菌的发酵罐。这就是发酵罐在计算机工业中的典型运用3。3 国内外高性能发酵罐的研究现状与发展趋势发酵罐具有重要的科研价值和广泛的应用前景，它的出现引起了全世界的广泛关注，发酵罐的历史可以追随到人类工业革命时期。第一阶段：1900年以前，是现代发酵罐的雏形，它带有简单的温度和热交换仪器。第二阶段：1900-1940年，出现了200m3的钢制发酵罐，在面包酵母发酵罐中开始使用空气分布器，机械搅拌开始用在小型的发酵罐中。第三阶段：1940-1960年，机械搅拌，通风，无菌操作和纯种培养等一系列技术开始完善，发酵工艺过程的参数检测和控制方面已出现，耐蒸汽灭菌的在线连续测定的pH电极和溶氧电极，计算机开始进行发酵过程的控制。发酵产品的分离和纯化设备逐步实现商品化。第四阶段：1960-1979年，机械搅拌通风发酵罐的容积增大到80-150m3。由于大规模生产单细胞蛋白的需要，又出现了压力循环和压力喷射型的发酵罐，它可以克服?些气体交换和热交换问题。计算机开始在发酵工业上得到广泛应用。第五阶段：1979年至今。生物工程和技术的迅猛发展，给发酵工业提出了新的课题。于是，大规模细胞培养发酵罐应运而生，胰岛素，干扰素等基因工程的产品走上商品化4。3.1 国外发酵罐发展的方向需要高质量，高效率的有益菌生产就离不开高性能的发酵罐支持，有益菌是一系列庞大种类细菌的总称，其中仅仅以以乳酸菌为例：乳酸菌作为一个多元化朝阳产业,早已涵盖食品、医疗、养殖、环保、新材等多个领域。日本的益生菌产品开发较早且早已形成产业规模。欧洲作为全球最大的益生菌市场,2007年益生菌产业收入达57亿美元。美国益生菌产业市场已跃居第二且增长迅速,预计到2010年该市场收入将超过46亿美元。国外知名品牌如养乐多、达能、雀巢、丹尼斯科、科汉森等更是纷纷投入重兵，大力拓展全球市场，并且快速成长。我认为，通过高性能发酵罐的生产进入益生菌市场而产生，而与大量国际食品业巨头合作不失为一种发酵罐生产的发展方向。3.2国内发酵罐发展的方向依然以发酵罐生产的乳酸菌为例；乳酸菌产品是中国乳品行业中率先走出“三聚氰胺”阴影的品类,目前的市场恢复仍在加速中,今夏主要企业已经呈现出10%以上的增长。它表明消费者对这类产品的喜爱。健康的产品需要良性的发展,更需要科技界和企业界的互补合作。中国食品科学技术学会乳酸菌分会的成立及其五年间有效率的工作,就显示了中国食品科学技术学会对这一行业的关注和支持。 乳酸菌在国内作为一个多元化新兴产业,早已涵盖食品、医疗、养殖、环保、新材等多个领域。而在食品工业的应用中,投入使用的益生菌种类就已超过20种,益生菌产品总数超过380种。国内知名品牌如蒙牛、伊利、三元、光明等更是纷纷投入重兵,大力开拓中国市场并获快速成长。与此同时,于1997年成立的国内最早炒作乳酸菌概念的太子奶集团,在成立11年后,却悄然退出重组。中国乳酸菌产业的发展,在2009年面临新一轮的整合与发展。根据国家发展和改革委员会的2004年第75号公告，其中与葡萄酒酿造有关的发酵罐等不锈钢容器将实施新标准。起名称是食品工业用不锈钢薄壁容器。标准编号QB/T2681-2004。该标准是结合国内机械制造行业的工艺装备编制的食品工业用不锈钢薄壁容器行业标准。QB/T2681-2004标准规定了视屏工业用不锈钢薄壁容器的产品分类、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和储存。该标准适用于食品、饮料、乳制品、酿酒、制药、日用化工等行业用来发酵、冷却、调配、储存酒业、果汁、乳品以及洁净水等液态无聊的食品工业用常压不锈钢薄壁容器 5 。3.3发酵罐发酵的基本原理以实验室啤酒发酵系统使用的发酵罐为例：（1）罐体为圆柱形，底盖和顶盖均为碟形或锥形；（2）满足酵母生长和代谢的必要工艺条件，提供一定的生化反应时间，及时移走在生化反应过程中将释放的生物热；基本原理：麦芽汁经制备、冷却后，加入酵母菌，输送到发酵罐中，开始发酵。传统工艺分为前发酵和后发酵，分别在不同的发酵罐中进行，现在流行的做法是在一个罐内进行一次发酵。前发酵主要是利用酵母菌将麦芽汁中的麦芽糖转变成酒精（即酵母的无氧呼吸作用），后发酵主要是产生一些风味物质，排除掉啤酒中的异味，并促进啤酒的成熟6。图1.发酵罐的基本结构图3.4发酵罐的搅拌形式目前发酵罐都需通入无菌压缩工期并配备搅拌系统。为了使这些菌类在培养过程中获得足够的氧气，近几十年来不断地对同期和搅拌装置进行改进，我国的第一个发酵罐采用的是伍式(Waldhof type)搅拌，其结构是底层设离心叶轮，其上配备大型导流筒（亦称为拉力筒），可使液流由底部叶轮甩向周边并向上流动到页面后转向，由中间的导流筒引向下流，至1950年代中期华北制药厂投产时则全部采用三层箭叶式搅拌，在其后的不少发酵罐中也采用三层箭叶。不同搅拌形式的气通效果特点不同，列举以下几种不同的搅拌系统的工况做对比：六平叶，六弯叶，六箭叶，十二翼圆盘式和伍式搅拌。对比的结果是在较高的单位容积功率Pv及通气线速度V，条件下六弯叶型效果交加，在Pv即V较低的条件下六平叶型交加，伍式搅拌则在需氧要求较低的情况下功率消耗略低。六箭叶型换为六弯叶型搅拌，两者功率常数基本相等，对电机功率要求不变，而供养系数K则六弯叶为优7。3.5发酵罐集成控制系统的实现随着今年来生物技术的发展，许多研究成果都需要经过发酵工业而转化为产品，但在进行大规模产业化前，需要在实验室进行大量的发酵条件的优化，而对于微生物发酵过程，机理十分复杂，影响因素错综复杂，为此科研人员系要进行多次数据采集。长期以来科研人员必须在实验室对发酵罐数据进行观察，靠经验进行实时控制。这样势必造成实验重复率高，消耗大量的实验材料，往往试验结果还不能令人满意，为此，利用PLC作为下位机，采用开发软件，建立起多台发酵罐集中控制系统这样一方面可以改善科研人员的试验环境，是工作人员可以在办公室就可以实时监控控制发酵罐的作业；另一方面通过实施的图形显示，更直观的观察到发酵罐中各个参数的变化过程，从而对发酵罐进行自动控制。另外可以使科研人员同时控制多台发酵罐，从而提高工作效率，节省物力财力人力，加速发酵工艺产业化的步伐8 (见图2)。图2.发酵罐集中控制系统结构图 系统以PLC作为下位机对发酵罐数据进行采样，通过编成电缆和通信适配器与上位机PC进行连接，将采集数据通过串口上传至上位机，经上位机对上传数据进行统一处理。最终将数据保存入库，并在客户端口将数据直接或以图形等方式进行显示。同时可对发酵罐进行控制，将命令通过上位机PC传至下位机PLC，最终游侠危机PLC将命令传至发酵罐的传感器(见图3)，从而达到发酵罐自动控制的目的。图3.数据采样流程3.6基于现代化发酵罐的应用发酵罐的设计是面向应用的，贴近客观工业生产的，其设计和生产一直都与应用相联系。多年来经过不同领域研究人员的演绎，发酵技术在军事领域、精细农业、安全监控、环保监测、建筑领域、医疗监护、工业监控领域的应用得到了充分的肯定和展示9。 通过发酵罐生产的细菌，产生细菌发酵，是利用细菌的特殊代谢途径，把原料转化为目标产物的生物学过程。细菌发酵和酵母菌发酵在本质上是没有区别的，只不过两者的发酵用的菌种不同而已，一种是酵母菌，另一种是细菌，细菌发酵分为厌氧和好养两种，通过特种发酵罐，产物丰富，种类多，应用广，发酵细菌结构简单，有众多的特殊代谢途径，使得其食谱更粗犷，原料成本更便宜，对环境也敏感，易于改良菌种，在目前应用最广的也是研究最深入的就是大肠杆菌10。在环境监控和精细农业方面，发酵罐培养的细菌最为广泛。2003年，通用公司率先在威斯康辛州建立了世界上第一个细菌葡萄园，这是一个典型的精准农业、精确耕种的实例。杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台，该平台利用了一种细菌技术实现对农田温室大棚温度、湿度、露点、光照等环境信息的监测。例如细菌运用在民用安全监控方面，德国的一家博物馆利用某种细菌对光照与温度的敏感性设计了一个报警系统，他们将细菌报警器放在珍贵文物或艺术品的底部或背面，通过侦测灯光的亮度改变和温度情况，来判断展览品的安全状态。我们身边建筑的发展不仅要求为人们提供更加舒适、安全的房屋和桥梁，而且希望建筑本身能够对自身的健康状况进行评估，能够为我们的生活品质提供良好的服务。有益菌技术在建筑结构健康监控方面将发挥重要作用。2002年，汉堡大学在当地地标性建筑实施部署了监测环境噪声的PDS系统11。在医疗监控方面，美国麦克道尔公司目前正在研制家庭护理的细菌传感系统，作为我们家具环境监测的手段，使得我们生活的每一个角落都能够成为安全放心可靠地，也有巨大应用潜力12。在环境保护方面，发酵产生的各种工程菌株解决世纪难题的例子不胜枚举;例如：美国Chak rabany 等为消除海上溢油污染, 曾将假单胞杆菌中不同菌株的CAM、OCT、XAL 和NAH 4 种降解性质粒发酵转移至一个菌株中,构建成一株能同时降解芳香烃、多环芳烃、萜烃和脂肪烃的“多质粒超级菌”。该菌能将天然菌要花一年以上才能消除的浮油,缩短为几个小时13。XZEH公司一经采用了焚烧方法，处理了制药废水中高浓度的POPs/EH主要部分。此外，同事应用了生物方法处理不宜焚烧的制药废水，并在其中调价生物污水作为营养源，研究对原有生物处理出水COD不能达到国家一级排放标准的问题，从工程菌株Xhhh和环境生物技术信息软件Ebis(Environmental Biotechnological Informatics Software)两个方面提高制药废水处理生物技术的有效途径。塑料袋造成的“白色污染”早已成为地球公害，因此它被称为“人类最糟糕的发明”。加拿大科学家丹尼尔伯德通过潜心研究，发现通过一种神奇的假单细胞菌，可以将塑料袋的自然降解过程从上千年缩短至短短3个月。围绕发酵罐在生产领域的发展可谓方兴未艾，要想进一步推进该技术的发展，让其更好为社会和人们的生活服务，不仅需要研究人员开展广泛的应用系统研究，更需要国家、地区，以及优质企业在各个层面上的大力推动和支持14。4 创新点传统的发酵过程在搅拌的过程中容易产生上清液。上清液是指定离心力作用下不含能被沉淀物质的液体。这些物质在上清液中累积会对系统产生不良的影响，也会对产品的质量产生影响，所以要避免上清液的产生是一个重要的问题。目前用的最好的能够全部上清液回收利用，通过发酵罐搅拌系统改造可以做到对发酵罐内产生的离心力控制，但问题是，上清液中含浓度稀薄的液体，这些物质在上清液中累积会对系统产生不良的影响，通过对搅拌机构的改造是大多数生产厂家的总体思路，我公司也采用密闭循环，其实，其具体运行过程中的控制还是比较麻烦的，先后去过好多厂家调研过，有厂家在虽然是密闭循环利用，可能乙炔发生处的水量控制不太好，造成清液过量使得水量不好控制。不同搅拌形式的气通效果特点不同，列举以下几种不同的搅拌系统的工况做对比：六平叶，六弯叶，六箭叶，十二翼圆盘式和伍式搅拌。对比的结果是在较高的单位容积功率Pv及通气线速度V，条件下六弯叶型效果交加，在Pv即V较低的条件下六平叶型交加，伍式搅拌则在需氧要求较低的情况下功率消耗略低。六箭叶型换为六弯叶型搅拌，两者功率常数基本相等，对电机功率要求不变，而供养系数K则六弯叶为优，可见，通过改变叶轮的几何设计，是可以做到对发酵罐的上清液产生一定的影响。难点：国内涉及的发面比较贫乏，缺乏实际案例参考。5 工作进度2月21日3月11日：实习，查资料，写开题报告，翻译3月12日3月18日：方案确定3月21日4月1日：20L高温发酵罐材料的选择4月2日4月15日：20L高温发酵罐结构设计、强度校核与温度控制方案4月16日4月24日：画装配图4月25日4月29日：画零件图 5月1日6月7日：写说明书 6月7日6月10日：准备答辩 6月13日6月17日：答辩6参考文献1 林凤,莆田等. 发酵罐技术改进J.福建糖业, 1997.18(4):41-452 梁静坤，徐轶生等. 发酵罐在安全监测中的应用J .成都:西南交通大学,20073 黄志坚, 王汝琳等. 发酵罐搅拌装置的优化设计J . 化学工程,2009.(9)：24-27 4 杜晓明, 陈岩等.无线传感器网络研究现状与应用J.北京工商大学学报,2008,26(1): 41-435 Wei zhang .Microbubble fermentation of recombinant pochia pastoris for human serumalbumin productionJ. May 2003:1172