20M3发酵罐链霉菌完整版

1、课程设计课程名称生化工程设备课程设计题目名称机械搅拌通风发酵罐的设计学生学院轻工化工学院专业班级学号学生姓名指导教师刘晓丽2012年06月14日广东工业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轻工化工学院专业班级09生物工程一班姓名康友健学号3109001853一、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（按照各自的题目要求写）设计20M3机械通风发酵罐，应用菌株发酵生产链霉素，产物是次级代谢产物，非牛顿型流体，三级发酵。高径

2、比为2.2,生产场地为南方某地，蛇管冷却，初始水温：18C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份设备装配图（A3号图纸）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6.11日2有关工艺设计计算6.12日至6.15日3装配图绘制6.16日至6.20日4撰写课程设计说明书6.20日至6.22日五、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，2007.2 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，2006.3 陈英南，刘玉兰.常用化工单元设备的设计M.

3、杭州：华东理工大学出版社,2005.4 GB/T14690-1993-1993，技术制图比例S.北京：中国标准出版社,1993.5 梁世中.生物工程设备M.北京：中国轻工业出版社，2007.6 田洪涛.现代发酵工艺原理M.北京：化学工业出版社，2007.7 JBT4746-2002，钢制压力容器用封头S.北京：中国标准出版社，2002.发出任务书日期：2012年6月11日指导教师签名:计划完成日期：2012年6月22日基层教学单位责任人签章:主管院长签章:课程设计考核表设计题目姓名班级设计（论文）起始时间年月日至年月日设计完成情况：独立完成，达到要求能够完成，达到要求能够完成，基本达到要求不能

4、按时完成，达不到基本要求说明书（论文）叙述清楚比较清楚基本清楚不清楚工作态度情况（学生对设计的认真程度、纪律及出勤情况）：认真较认真一般不认真图面是否清晰口清晰比较清晰基本清晰不清晰计算是否正确正确基本正确匚1不正确设计（论文）是否符合规范要求规范基本规范匚1不规范成绩评定：口优秀口良好口中等口及格口不及格指导教师签字：年月日摘要本次设计的是一台20M3机械搅拌发酵罐，发酵生产链霉素。发酵罐主要由罐体和冷却装置、搅拌装置、传动装置、轴封装置、人孔和其它的一些附件组成。罐体材料为16MnR钢，厚度为7mm。采用标准椭圆形封头，壁厚为9mm,与发酵罐采用法兰方式连接。发酵罐的高5280mm,直径为

5、2400mm,罐内采用二层六弯叶涡轮式搅拌器。搅拌轴直径为80mm，由110KW电动机驱动，轴封与罐体密封。冷却装置为573.5mm的冷却蛇管120m,分4组安装在罐内。最后绘制了该发酵罐的装配图。关键词：机械搅拌发酵罐封头搅拌器链霉素目录2 1设计方案的拟定12罐体几何尺寸的确定2夹套反应釜的总体结构2几何尺寸的确定3罐体主要部件尺寸的设计计算6.2.1 罐体6罐体壁厚6封头壁厚计算6搅拌器7人孔和视镜7接口管7管道接口8仪表接口8冷却装置设计9冷却方式9装液量1.0.2.2 冷却水耗量1.0.2.3 冷却面积1.1.3 搅拌器轴功率的计算1.2.3.1 不通气条件下的轴功率P0计算1.2.

6、3.2 通气搅拌功率Pg的计算1.3.3.3 电机及变速装置选用1.3.3.4 支座的选取1.4.3.5 传动装置和减速装置1.5.3.5.1 传动装置1.5.3.5.2 减速装置1.9.4 设计小结2.0.5 参考文献2.1.1设计方案的拟定我设计的是一台20M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产链霉素。链霉素是氨基糖苷类抗生素。他们是原核生物蛋白质合成的抑制剂，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌同样有效。链霉素由链霉胍、链霉糖、N-甲基-L-葡萄糖胺三部分构成，又称链霉素A，化学名为N-甲基-L-葡萄糖胺-(12)-L-链酶糖-(14)-链霉胍。早期发现的产链霉素的生产菌种是灰色链霉菌，后来又找到了能

7、产链霉素的比基尼链霉菌、灰肉链霉菌等。目前生产上多用灰色链霉菌。灰色链霉菌的孢子柄直而短，不呈螺旋形，孢子量很多，呈椭圆形。气生菌丝和孢子都呈白色。单菌落生长丰满，呈梅花形或馒头形，直径约为34mm。综合温度、PH等因素选择灰色链霉菌菌株，该菌种对温度敏感，生产实践中控制在28.5C左右为宜，链霉菌的生长最适pH可以简单控制在6.87.0，培养基主要葡萄糖4%，黄豆饼粉0.8%，玉米浆1.5%，(NH4)2SO40.5%等所组成。主要生产工艺过程分为两大步骤：菌种发酵，将冷干管或沙土管保存的链霉菌抱子接种到斜面培养基上，于27E下培养7天。待斜面长满抱子后，制成悬浮液接入装有培养基的摇瓶中，于

8、27C下培养4548小时待菌丝生长旺盛后，取若干个摇瓶，合并其中的培养液将其接种于种子罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空气搅拌，在罐温27C下培养6263小时，然后接入发酵罐内已灭菌的培养基中，通入无菌空气，搅拌培养，在罐温为27C下，发酵约78天。提取精制，发酵液经酸化、过滤，除去菌丝及固体物，然后中和，通过弱酸型阳离子交换树脂进行离子交换，再用稀硫酸洗脱，收集高浓度洗脱液链霉素硫酸盐溶液。洗脱液再经磺酸型离子交换树脂脱盐，此时溶液呈酸性，用阴离子树脂中和后，再经活性炭脱色得到精制液。精制液经薄膜浓缩成浓缩液，再经喷雾干燥得到无菌粉状产品，或者将浓缩液直接做成水针剂。发酵罐主要由罐体和冷却蛇管

9、，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

10、-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灰色链霉菌根据参考文献4选取工作压力0.3MPa由工艺条件确定设计压力0.35MPa由工艺条件确定发酵温度(工作温度)28.5C根据参考文献4选取设计温度150C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葡萄糖4%，黄豆饼粉0.8%，玉米浆1.5%，(NH4)2SO40.5%根据参考文献4选取发酵液密度1000kg/m3由工艺条件确定发酵液黏度1.96103Ns/m2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

11、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；轴封头体积V封.-4D%16D)VonD2Ho2hb-D（近似公式）46«1211fi扌R卓宜福Nn-fl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，工艺接管等附件起，构成完整的夹套反应釜2.2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=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（20m3）公称体积V-罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和

12、全体积Vo公称体积和上封头体积之和假设H/D=2.2，根据设计条件发酵罐的公称体积为20M由公称体积的近似公式VonD2H0.15D3可以4计算罐体直径圆整后D=2400mm罐体总高度H=2.2D=24002.2=5280mm，9氐2輻1.對益丁1UIfIt12101'114bH»QSu】GIB»20202?2224600£6.亠50辭札疳20Td-3494秤4«-I1443.3270S.&5B1L3L1026弭111!(51韶盒511UH-M1岛鼻MIMS.Hl17CB*4i1877.43泗归322!03.34?42£-Gk加

13、Jflftcos.ea查阅文献【2】，当公称直径DN=2400mm时，标准椭圆封头的曲面高度ha=600,直边高度hb40mm，总深度为hf640mm，内表面积Af6.5453m，容积Vf1.9905m可得罐筒身高H0H2Hf5280-2640=4000mm发酵罐的全体积23v/4DHe2Vf22.077m搅拌叶直径取Di800mm,其中Di/D800/22000.36.符合Dj/D(1/31/2)搅拌叶间距S2Dj28001600mm底搅拌叶至底封头高度CDj800mm挡板宽度B0.1D0.12400240mm表2-1大中型发酵罐技术参数公称容量筒体高度筒体直径换热面积转速电机功率3mH(m

14、m)mm2mr/minkw1032001800121507.521470022002115430306600240034180455070002800-300038-60160556080003000-3200651606575800032008416510010094003600114170130200115004600221142215表2-220m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积m320设计条件全体积m322.077计算罐体直径mm2400计算发酵罐总高mm5280计算发酵罐筒体高度mm4000计算搅拌叶直径mm800计算椭圆封头短半轴长mm600计算椭圆封头直边高度m

15、m40计算底搅拌叶至封头咼度mm800计算搅拌叶间距mm1600计算挡板宽度mm2400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。因适合链霉菌菌丝生长的pH约为6.57.0,适合于链霉素合成的pH约为6.87.3,pH低于6.0或高7.5，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。3.2罐体壁厚pD0.352400C（mm）36.827，取7mm2p21370.80.35D罐体直径（mm）p耐受压强（设计压力，MPa

16、）取0.35MPa©焊缝系数，双面焊取0.8,无缝焊取1.0刃-罐体金属材料在设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150°C，137MPa）C腐蚀裕度，当SC<10mm时，C=3mm3.3封头壁厚计算.KpD、2.30.352400-oo_怖°td1C（mm）38.82mm，取9mm。20.5p21370.80.50.35D罐体直径（mm）p耐受压强（取0.3MPa）K开孔系数，取2.3©焊缝系数，双面焊取0.8,无缝焊取1.0c设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150C,137MPa）C腐蚀裕度，当SC<10m

17、m时，C=3mm3.4搅拌器3.5 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20m3发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶叶径d=800mm，则可以计算出盘径di0.75d0.75800600mm，叶高h=0.3d=0.7800=560mm叶长b=0.25d=0.25800=200mm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，查阅文献，选取标准号HG2151895、公称压力为2.5MPa、直径为500mm、高度为393mm的

18、人孔，开在顶圭寸头上，位于左边轴线离中心轴500mm处。视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计设置了1个视镜，标准号HG215051992，直径为DN=100mm,高度为52mm，开在顶圭寸头上，位于右边轴线离中心轴500mm处，与人孔位于同一水平线上。3.6 接口管以进料口为例计算，设发酵醪液流速为v1m/s，2h排尽。发酵罐装料液体积：V1=15.4m33物料体积流量QV1/2h15.4/(36002)0.00213m3/s，则排料管截面积FQ/v0.00213/10.00213m2，又F0.785d2，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

19、50，573.5mm。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：采用法兰接口，法兰型号：管式平焊钢制管型(HG20593-97)，接口直径，大约人孔与视镜中间。角度垂直。排料口：采用法兰接口，法兰型号：管式平焊钢制管型(HG20593-97)，接口直径，开在罐底中间通风管旁。进气口：©57X3.5开在封头上，角度与水平线夹角45度排气口：©57X3.5开在封头上进气口以封头很人孔中心连线为对称轴的对称位置上，角度与水平线夹角45度。冷却水进、出口：采用法兰接口，法兰型号：管式平焊钢制管型(HG20593-97)接口直径©57X3.5角度与水平

20、线夹角45度。补料口：©57X3，.5开在封头上；角度与水平线夹角45度。取样口：©57X3，.5开在封头上；角度与水平线夹角90度仪表接口温度计；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(径向型)，d仁20mm，精度2.5,型号：丫-250,开在封头上溶氧探头：SE-N-DO-F；pH探头：PHS-2型；液位计：采用标准：HG5-1368,型号：R6-1;法兰型号：管式平焊钢制管型(HG20593-97)表3-1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

21、确定罐体筒壁厚7mm计算封头壁厚9mm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800mm计算搅拌器层数2由工艺条件确定人孔DN450mm根据参考文献3选取视镜DN150mm根据参考文献3选取进、排料口直径573.5mm根据参考文献3选取进、出气口直径573.5mm根据参考文献3选取冷却水进、出口直径573.5mm由工艺条件确定补料口直径573.5mm根据参考文献3选取取样口直径573.5mm由工艺条件确定温度计装配式热电阻温度传感器Pt100型，D=100mm压力表Y250Z液位计R6-1溶氧探头SENDOFpH探头PHS2型4冷却装置设计4.1冷却方式发酵罐容量大，罐体的

22、比表面积小。夹套不能满足冷却要求，使用列管或蛇管冷却，使用水作冷却介质4.2装液量设计发酵罐装料系数：60%80%.取70%发酵罐装料液体积：Vj=全体积X装料系数=21.490.70.7=15.043m3不计算下封头时的装液体积：V主Vi下封头体积23V柱=Vi(/4)D(hb1/6D)15.043-1.5459=13.4971m装液高度：gV柱/(0.785D2)13.4971/(0.7852.22.2)=3.55m单位时间传热量=发酵热装料量即：QQ发V11880015.043=282808.4kJ/h各类发酵液的发酵热发酵液发酵热(kJ/m3h)青霉素丝状菌23000青霉素球状菌138

23、00链霉素18800四环素25100红霉素26300谷氨酸29300赖氨酸33400柠檬酸11700酶制剂14700-188004.3冷却水耗量由实际情况选用进出口水温为18C、23C,则13512kg/hWQ282808.4CP(t2t1)4.186(23-18)Q单位时间传热量Cp冷却水的平均比热，取4.186kJ/(kgC)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tF=28.5C,tm(tF切心t?)23031仁(28.518)(28.523)2.303lg28.51828.5237.73C.t1-冷却水进口温度t2冷却水出口温度tF发酵温度4.4冷却面积冷却面积(m2

24、)A荷吊卞19255m2，根据实际情况取整为20m2tm-对数平均温度差K传热总系数，取1.9103kJ/(m2h：C)冷却蛇管总长度(m)A20nd3.14X0.05127.37m,取整120m,分为四组，每组30m。d蛇管内径，d=外径一壁厚取57X3.5mm(径取5080mm,壁厚取3.55mm)每圈蛇管长度l(nDp)2hp2_J(X3)20.152=94D蛇管圈直径，3mhp蛇管圈之间的距离，2.5管径，取0.15m每组蛇管圈数L3.184，则总圈数为4X4=16圈pl9.42蛇管总高度H(Np1)hp(161)0.152.25m表4-120m3发酵罐冷却装置设计计算结果项目及代号参

25、数及结果备注装料系数70%由工艺条件确定装料体积15.4m3计算装料高度3.55m计算总发酵热282808.4kJ/h计算冷却水耗量13512kg/h计算冷却面积20m2计算冷却蛇管总长度120m计算冷却蛇管总高度2.25m.计算蛇管组数4组由工艺条件确定每组蛇管圈数4计算圈5搅拌器轴功率的计算5.1不通气条件下的轴功率R取发酵醪液黏度1.9610-3Ns/m,密度1000kg/m3,搅拌转速2200r/min,则雷诺准数：Re旦（200/6°）°.8彳1°°0口？6因为1.9610Re104，所以发酵系统充分湍流状态，即有效功率系数Np4.7鲁士顿（R

26、ushtonJ.H.）公式：3520035P0NP3LDi4.7（）310000.8557.04kw60P0无通气搅拌输入的功率（W）；Np功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；圆盘六弯叶涡轮NB4.73-涡轮转速（r/min）；l液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取8001650kg/m3;Di涡轮直径（m）;23Pg5严0.157C系数，D/D3时，取0.157Pn多层搅拌输入的功率（kW）对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算:PnP（0.40.6m）57.04（0.40.62）91.264kwm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（91.2

27、64；5200叫。“558.146kW3涡轮转速（r/min）,取200r/minDi涡轮直径（m）,Q通气量（m3/min）,取16m3/min，取2.5m3/min5.3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PPgPt58.1460.920.990.98（1似）叫呗Fg搅拌轴功率Pt轴封摩擦损失功率，一般为100丘n-传动机构效率三角皮带的效率是0.92,滚动轴承的效率是0.99,滑动轴承的效率是0.98搅拌轴直径dA（P/n）1/3,n为转速（单位为转/分）,系数A可以取97-149,取A100,已知取A100,已知P87.64kW,n200r/min,d1

28、00（65.80）1/369034mm根据文献选轴径为80mm。200型号功率（KW）额定电流IN（A）额定转速nN（rpm）效率（%）功率因数（cos）质量kgY315S-2110220298092.50.89922表5-1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200r/min根据参考文献3选取不通气条件下的轴功率57.04kw计算多层搅拌器轴率125.489kw通气量2.5m3/min由工艺条件确定通气搅拌功率77.45kw计算电机的功率87.64kw计算电机的选择型号Y-315S2根据参考文献3选取轴径80mm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

29、型号和根数D6根根据参考文献3选取小皮带轮直径300mm根据参考文献3选取大皮带轮直径1100mm根据参考文献3选取5.4支座的选取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。对设备质量进行估算如下：1）筒体充满水后质量：2）筒体质量：3）筒体封头质量：4）蛇管质量：5）管法兰质量：6）搅拌器设备质量：参考文献7,选择支撑式支座，5号B型支座3块，其示意图见图52,其尺寸见表52。图52B型支座表52B型支座参数尺寸/mm支座号支座本体允许载荷Q,kN使用容器公称直径DN高度h地板钢管垫板bd2d37

30、400240042030022273836012续表5-2地脚螺栓D0支座质量/kg每增加100mm高度的质量，kg支座咼度上限值hmaxd4d5规格35024M201720475.28505.5传动装置和减速装置5.5.1传动装置传动装置的选型包括凸缘法兰、支架、传动轴联轴器、搅拌轴轴封、安装底盖、搅拌轴底轴承等零件组成。1.安装底盖已知传动轴轴径为d=85mm、搅拌容器公称直径为DN2400m，查阅文献7，得安装底盖公称直径DN为700mm，选择RS型安装底盖，其示意图如图53所示，其性能参数见表53。盖盖.RS型安装底表53RS型安装底盖性能参数/mm安装底盖公称直径机架公称直径d2K螺

31、柱孔D6（h7）Ki螺纹孔S数量d5数量d7700300830780282652062020M24822.机架已知传动轴轴径为d=85mm、搅拌容器公称直径为DN2400m,查阅文献7，得机架公称直径DN为500mm，选择单支点支架B型，其示意图如图54所示，其性能参数见表54。机架公称直径传动轴轴径dDi（出）D2D3D4D5n-HHi机架质里/kg3008032040044549553012-2210403991373凸缘法兰表55凸缘法兰性能参数/mm机架和凸缘法兰的公称直径相等，查阅文献7，选择公称直径DN700凸缘法兰,示意图如图55，性能参数见表55。凸缘法兰公称直径DNd1d2kcbd4h1h2h4螺栓d5R1R2质量/kg数量螺纹700530830780670720601001428M242654210图55凸缘法兰4.传动轴联轴器根据轴径d=80mm,查阅文献7，选取相应凸缘联轴器，其示意图见图56,参数见表56。1