毕业论文100立方米林可霉素发酵罐设计

1、生物与化学工程学院课程设计报告题 目：100m3林可霉素生产发酵罐学生姓名：邹洋洋专业班级： 2010010501 学号：指导教师：罗建成王莹设计时间： 20130524 生物反应工程与设备课程设计任务书学院生化学院专业班级10生物1班姓名邹洋洋所在组别3设计题目机械搅拌生物反应器设计完成时间设计内容及要求根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。主要包括：(1) 设计方案选择：对给定或选定的设计方案进行简要论述。(2) 设计工艺流程论证：按确定的设计方案设计出合理可行的工艺流程路线，对该工艺流程进行阐述论证，确定工艺过程的重

2、要参数。 (3) 工艺计算：应完成工艺流程各过程的物料衡算、能量衡算、主要设备的工艺条件、工艺参数计算。(4) 主要设备设计：在满足工艺条件的前提下，进行主要设备的机械设计，包括强度设计、刚度计算、稳定性计算和结构设计。(5) 典型辅助设备设计选型：包括典型设备主要结构尺寸计算和设备型号规格的选定。(6) 工艺流程图绘制：按工艺流程图绘制要求完成有一定控制点的流程详图，包括设备、物料管线、主要管件、控制仪表等内容。 (7) 主体设备结构详图绘制：按化工设备结构图的要求绘制完成。(8) 典型辅助设备工艺条件图或小样图绘制：包括设备的主要工艺尺寸和主要特点要求。工作进度及安排1查阅资料1天2工艺计

3、算2天3结构图和工艺图设计、绘制1天4编写说明书1天 指导教师罗建成2013年5月24日摘要当前来看，随着医学推移，抗生素的生产使用对于医药业是一个喜讯和跨越常见的林可霉素的生产工艺也已趋近成熟，能否高效率地生产出高质量的林可霉素重。要在于生产过程中所使用的发酵罐是否合理，我们根据发酵工程设备的理论知识并结合实际生产要求进行了林可霉素生产发酵罐的一系列设计。The current view, along with changing medicine, antibiotic use for pharmaceutical production is a good news, and across.

4、 common lincomycin production technology is mature, also can efficiently produce high quality of the clindamycin is important production process used in the fermentation tank is reasonable, we according to the theoretical knowledge of fermentation engineering equipment and connecting with the actual

5、 production requirements of the fermentation tank of lincomycin production a series of design.目录1、设计方案的分析和拟定11.1林可霉素的生产现状 11.2林可霉素的生产工艺1 1.3设计基础条件22、工艺设计32.1设备结构及主要尺寸的确定32.2封头规格3罐体高度 42.3罐体壁厚52.4封头厚度封52.5人孔和视镜52.6接管管道接口 52.6.2仪表接口 63、搅拌器及搅拌轴的设计7 3.1搅拌器轴功率的计算 73,1.1不通气条件下的轴功率7通气搅拌功率Pg的计算83.2搅拌

6、轴的设计83.3传动电机设计选型94、冷却装置设计104.1 冷却方式104.2 装液量 104.3冷却水耗量 114.4 冷却面积 114.5密封装置的选型设计124.5.1轴封装置的选择 12管法兰的选择 135、参考文献146、设计总结141、设计方案的分析和拟定1.1林可霉素的生产现状 盐酸林可霉素（洁霉素）窄谱抗生素，作用与红霉素相似，对革兰阳性球菌有较好作用，特别对厌气菌、金葡菌及肺炎球菌有高效。目前我国各生产厂家所采用的林克霉素提炼生产工艺主要是丁醇萃取法。其核心内容是丁醇从发酵液中萃取林克霉素，经多次浓缩、脱色，最后结晶得到粗晶体。在萃取后利用盐酸进行反萃取，再进行脱色，最后用

7、丙酮直接结晶，尽管丁醇法至今仍在广泛应用，但此法存在着许多缺点。首先，它的工艺复杂、工序繁多，从而导致收率低，物耗、能耗高；其次，丁醇法对林可霉素与林可霉素S的分离基本没有效果，粗品中林可霉素S的含量往往高达3%-6%.同时，由于丁醇水溶性大，因而该工艺还存在着丁醇消耗量大回收困难，以至于生产成本较高等问题。1.2林可霉素的生产工艺 从选菌到入库需要进行一系列繁杂冗长的过程，简洁的概括如下：选菌菌培养检测发酵萃取抽提产品处理包装入库。 原料：淀粉（在配料池配好后泵入糖罐中，经糖化处理后成为糖化液，主要用于二级种子罐和发酵罐的补料）、葡萄糖（一级种子罐配料时直接添加，一级种子罐不补料，培养前一次

8、配好）、玉米浆、豆饼粉、硫酸铵、碳酸钙、硝酸钠、磷酸二氢钾、氯化钙、消泡剂、有机硅。发酵工艺简要流程: 配料培养基制备 一级发酵罐摇床摇瓶接种 二级发酵罐 三级发酵罐 提炼工艺简要流程： 发酵液 酸化 板框压滤 滤液碱化固体留在板内进一步处理 萃取 发萃取 加碳脱色过滤后的活性碳处理回收利用 碳压过滤 结晶液储罐 结晶 离心 双锥式干燥器干燥 检验包装成品1.3设计基础条件（1）生产时，装料系数70%，（2）发酵温度为31，（3）保压为0.15Mpa（表压），设计压力：罐内0.4MPa；夹套0.25 MPa（4）罐内气体相对湿度为100%；（5）进气压力为0.4MPa（表压）、温度为25，相对

9、湿度为70%；蛇管总传热系数K=3000KJ/(m2·h·)，（6）冷却水进口温度为20，出口温度为26。（7）主酵阶段最大耗糖速度每小时为发酵液量的0.7%，糖分消耗中发酵占80%，呼吸占20%，1kg糖发酵时产生的呼吸热为15660KJ 。 （8）罐内灭菌时蒸汽压力为0.4Mpa（表压）。（9）培养基制备工艺流程采用水解设备流程（参见发酵设备P55）。以淀粉为原料，采用分批式操作，分两批在8小时内装完一个发酵罐。每一批操作中，调浆操作耗时30分钟，调浆后，粉浆密度为1084kg/m3，粉浆比热容为3.6KJ/(kg·k)，水解压力为0.250.26Mpa（表压

10、），温度为95，水解维持时间约30min，水解液经过滤后用列管式冷却器（进水温度20，出水温度40）最终冷却到70后，送入一次中和罐，中和与脱色操作耗时30分钟。中和后的糖液温度为65，再用板框式压滤机在60分钟内完成压滤，再送入二次中和罐，二次中和耗时30分钟,中和后的糖液温度为60。然后用列管冷却装置（进水温度10，出水温度40）冷却到30后，送入发酵罐，列管冷却操作在60分钟内完成。水解工艺流程如下：淀粉+水+盐酸®（水解）®冷却®一次中和®脱色®压滤®二次中和®列管冷却®葡萄糖汁®送去发酵（10）

11、无菌空气由JLS型或JPF型空气过滤系统提供。（11）某厂在100L机械搅拌通风发酵罐中发酵生产林可霉素生产试验，获得良好效果，此发酵液为非牛顿型流体，粘度m=60×10-3Pa·S，密度=1020kg/m3。 2、工艺设计2.1设备结构及主要尺寸的确定（D，H，H0，V，V0，Di等）根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=2.2，则H=2.2D初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（100m3） 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则公称体积（近似公式）假设，根据设计条件发酵罐的公称体积为100m3

12、由公称体积的近似公式可以计算出 罐体直径D=3762.8066，取整为3800。罐体总高度H=2.2D=2.2×3762.8066=7625.4336，取整为7700。查阅文献钢制压力容器用封头（JB/T 4746-2002）标准，当公称直径D=3800mm时，标准椭圆封头的曲面高度h=940mm，直边高度 hb=50mm，总深度为ha=990mm，内表面积Af=16.1303m²，容积Vf=7.6364m³可得罐筒身高圆整到7.5m则此时H0/D=7500mm/3800mm=1.97，与前面的假设相近，故可认为D=3800mm是合适的。发酵罐的全体积 V=/4D

13、²H0+2Vf=102.56 m³2.2封头规格查钢制压力容器用封头（JB/T 4746-2002）标准，由发酵罐工程内径可得封头规格如下： 公称直径 曲面直度 直边高度 内表面积 容积 3.8m 0.94m0.05m 16.137.636m³2.21罐体高度H 筒体高度 H=H0+2ha=7.5+2×0.99=9.48 m 忽略搅拌器的体积，假设发酵液最高不超过筒体上端，则发酵罐内溶液体积满足： 式h中为筒体部分发酵液的高度，h取0.70 则带入数据算的h=6.11m<H0=7.5 m ，说明假设成立。 发酵液高度 Hf=h+ha=6.11+0.

14、99=7.10m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。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。 搅拌叶直径：Di=D/3=3800÷3=1266.7 ，取整为1300 搅拌叶间距：S=（0.95-1.05）D（自选）取S=1×D=3800 最下一组搅拌器与罐底的距离：C=（0.8-1.0）D（自选）取底搅拌叶至底封头高度C=D=1330。 挡板宽度：B=0.1D=380，当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板 搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=

15、20:15:5:4 可得：L=475 ，d1 = 1425 ，D1 = 1900100m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积100设计条件全体积102.56计算罐体直径3800计算发酵罐总高9480计算发酵罐筒体高度7500计算搅拌叶直径1300设计条件椭圆封头短半轴长940计算椭圆封头直边高度50计算底搅拌叶至封头高度1300计算搅拌叶间距3800计算挡板宽度mm380计算2.3罐体壁厚计算厚度计算式: ，其中取8mmD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/c）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170M

16、Pa）C 腐蚀裕度，当 C<10mm时，C3mm2.4封头厚度封，取13mm。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150，170MP2.5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（R·G）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

17、心轴750mm处，标记为视镜 PN1.0 DN80 HGJ501-86-17 。2.6接管口以进料口为例计算，设发酵醪液流速v=1m/s，2h 排尽。发酵罐料液体积：V1=102.56*0.7=71.8m³，物料体积流量Q=71.8/（3600×2）=0.010m³/s，则排料管截面积F=Q/v=0.010m2，又F=0.785d2，得d=0.113m。取无缝钢管，查GB/8163-87,选取规格为133×4.0mm管道接口（采用平焊法兰连接）进料口：133×4.0mm，开在上封头上；排料口：133×4.0mm，开在罐底；进气口：13

18、3×4.0mm，开在下封头上；排气口：133×4.0mm，开在上封头上；冷却水进、出口：开在罐身；取样口：开在罐身仪表接口温度计：装配式热电阻温度传感器Pt100 型，D=100mm，开在罐身上；压力表：弹簧管压力表，d1=20mm，精度1.6，型号Y-250，开在封头上（参考杭州富阳华博仪表有限公司生产标准）液位计：采用标准：HG5-1368，型号：R-16，直径：160×14mm，开在罐身上；溶氧探头：SE-N-DO-F；pH 探头：PHS-2 型；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

19、艺条件确定罐体筒壁厚7.196mm计算封头壁厚12.64mm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1300mm计算搅拌器层数2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133×4.0mm根据参考文献3选取进、出气口直径133×4.0mm根据参考文献3选取冷却水进、出口直径133×4.0mm由工艺条件确定补料口直径133×4.0mm根据参考文献3选取取样口直径133×4.0mm由工艺条件确定温度计装配式热电阻温度传感器Pt1

20、00型，D100mm压力表液位计溶氧探头pH探头型3、搅拌器及搅拌轴的设计3.1搅拌器轴功率的计算根据任务要求，搅拌器为后弯叶圆盘涡轮搅拌器。 后弯叶角度=45°； 桨叶数Z=6； 总直径Dj=1/3D=1.3m； 桨叶宽度b=0.2Dj=0.26m；桨叶长度l=0.25Dj=0.325m； 桨叶厚度=0.02Dj=26mm；圆盘直径rd=0.65Dj=0.845m；圆盘厚度d=0.02Dj=26mm；转速n=130/rmp 搅拌叶轮个数m=23,1.1不通气条件下的轴功率P0大中型发酵罐技术参数公称体积筒体高度H(mm) 筒体直径mm搅拌器直径转速r/min 电机功率kw10360

21、0 18006401801150 6000 31001050110557581503200800185901001000034009501501322001150046001100 142215由图表知：公称体积为100时，当搅拌叶直径Di=950，搅拌转速=150 r/min。已知搅拌叶直径与转速的关系为:所以可以计算得：此时的搅拌转速=130 r/min取发酵醪液黏度m=60×10-3Pa·S，密度，搅拌转速=130 r/min=2.17r/s，则雷诺准数Re= =4.796×，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

22、J. H.)公式：P0 = =181.878kw 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/s）；液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同；涡轮直径（m）对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算： Pm=P*(0.4+0.6m)=291.005KW m=2-搅拌器层数。3.12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130 r/min涡轮直径（m），0.7m Q通气量（/min），取16 /min，取1.42/min 计算Pg=302.08

23、7kw3.2搅拌轴的设计搅拌轴的材料选择45 号钢，其力学性能如下表：技术条件界面尺寸mmbMPanMPas%kJ/cm2HBMPaAJB755-851005882941539162217304011810710058828415149217取A=118，搅拌轴的直径d156.294mm上式中，P轴传递的额定功率，根据任务目标取302.087kWN轴的转速，根据任务目标取130rpm，其中S=3考虑到轴上连有联轴器有孔槽以及一定的腐蚀浴度和安全系数，取搅拌轴的直径d=160mm。 扭转切应力校核：，因此，设计符合要求。3.3传动电机设计选型电机功率式中 Pm搅拌所需轴功率；PT为轴封摩擦损失功

24、率，按1%Pm计算;为传动系统的效率，选择三角皮带传送，皮带传动效率取0.96，轴承滚动效率取0.99，轴承滑动效率取0.99，则=0.96×0.99×0.99=0.94假设ReM<104，即发酵液处于湍流状态，且D/d=3、Hf/d=3、B/d=1、挡板数为4 的情况下，此时对于六弯叶涡轮搅拌器K=4.8，搅拌轴功率式中，K 为功率特征数，为发酵液体密度。对于多层搅拌器Pm=291.005kw 。因此，电机功率P=（1+0.01)*291.005/0.94=312.676（KW）查相关资料，选用电机型号KTG11-4型，参数如下：型号额定功率额定电流*2变频器容量*

25、1制动任务率重量KTG11-4(KW)AKVA（%ED）KC315 585445没有限制250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130r/min根据参考文献3选取不通气条件下的轴功率181.878KW计算多层搅拌器轴率291.005KW计算通气量由工艺条件确定通气搅拌功率302.087kw计算电机的功率312.676（KW）计算电机的选择型号KTG11-4功率315kw根据参考文献3选取轴径根据参考文献3选取传动装置三角皮带根据参考文献3选取三角皮带型号和根数根据参考文献3选取小皮带轮直径根据参考文献3选取大皮带轮直径根据参考文献3选取4、冷却装置设计4.1 冷却方式发酵

26、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16800四环素25100红霉素26300谷氨酸29300赖氨酸33400柠檬酸11700酶制剂1470018800 设计发酵罐装料系数：取 发酵罐装料液体积：V1=V*= 71.80 不计算下封头时的装液体积：V柱= V1-Vf=71.80m³-7.636m³=64.164m³装液高度：h1=V柱/(D2/4=5.66m 单位

27、时间传热量发酵热×装料量 即：Q=Q发*V1=16800×71.8=1206240j/h4.3冷却水耗量 由实际情况选用进出口水温为20 、26，则=48026.76kg/h 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=31，=7.605 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=52.87 m2 根据实际取53 m2tm 对数平均温度差K传热总系数，取3.0 kJ/(m2·h·)冷却面积() A=dL 冷却蛇管总长度(m)1

28、68.79m ,取整L=169m ，分为8组，每组长L0=21.125md蛇管内径，d外径壁厚 取110×5mm每圈蛇管长度D蛇管圈直径，3mhp 蛇管圈之间的距离，取0.15m每组蛇管圈数圈，则总圈数为3×8=24圈蛇管总高度m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71.80计算装料高度 5.66m计算总发酵热1206240j/h计算冷却水耗量 48026.76kg/h计算冷却面积52.87 m2 计算冷却蛇管总长度168.79m计算冷却蛇管总高度3.45m计算蛇管组数8组由工艺条件确定每组蛇管圈数3圈计算4.5密封装置的选

29、型设计 轴封装置的选择根据搅拌轴直径d=130mm，选用的202 型标准机械封头标准如下：dDD1D2D3h1h2h3Hn-M13048544540328052610016012-2320管法兰的选择法兰的材料选用16MnR,查GB/T9113.3-2000选用的法兰参数如下表：公称直径DN100钢管外径A1108法兰外径D210法兰内径B1110螺纹中新棉直径K170波口宽度b0螺纹直径L18法兰厚度C18螺纹数量n4法兰质量kg141螺纹TbM155、参考文献【1】闫邦椿.机械设计手册（第5版）第1卷.机械工业出版社2010年1月【2】齐香君. 现代生物制药工艺学M. 北京：化学工业出版社

30、，2003.9【3】吴思芳. 发酵工厂工艺设计概论M. 北京：中国轻工业出版社，2006.7【4】潘红良 赫俊文. 过程设备机械设计M. 杭州：华东理工大学出版社，2006.4【5】郑裕国 薛亚平 金利群等.生物加工过程与设备M. 北京：化学工业出版社，2004.7【6】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【7】贾士儒. 生物反应工程原理M. 北京：科学车版社，20036、设计总结有了一次化工原理的设计，我们已经累计了一些经验，知道了设计需要的大致流程，所以当接到要设计的发酵罐要求后，我就到图书馆去借阅了相关的书籍并上网查阅了相关知识，经过一系列的认真学习和理解