单细胞蛋白的发酵罐的设计

生物工程专业《化工原理课程设计》说明书题目名称300L发酵单细胞蛋白发酵罐的设计专业班级2009级生物工程2班 学 号_学生姓名指导教师 博士 2011年10月31日TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1设计方案 11.1设计条件 11.2发酵工艺 1\o"CurrentDocument"1.2.1发酵菌种 21.2.2发酵工艺流程 21.2.3发酵参数 21.3发酵罐尺寸及整体设计 21.3.1发酵罐的结构形式 21.3.2发酵罐直径和高度 21.3.3发酵罐圆筒壁厚的计算 21.4手孔设计 32计算2.1消泡器计算 42.2传热计算 42.2.1冷却水计算 42.2.2冷却面积的计算 42.3叶轮的计算 52.4挡板的计算 52.5夹套的计算 5\o"CurrentDocument"3设备选型 63.1消泡器的选型 63.2叶轮、转子的选型 63.3罐体、封头的材质 63.4罐体和封头的连接方式 63.5手孔的选型 63.6马达的选型 63.7轴封的选型 64附表 75总结 9\o"CurrentDocument"6参考文献 10一设计方案单细胞蛋白(Singlecellprotein,SCP)是指一些单细胞或具有简单构造的多细胞生物的菌体蛋白的统称。微生物细胞中含有丰富的蛋白质，其含量在酵母菌中占细胞干物质的45%〜55%,细菌中占60%〜80%[i]。热带假丝酵母是生产SCP的主要菌种之一，它能利用各种糖质原料，满足自身生长的需要，将外源蛋白氮转化为菌体蛋白。热带假丝酵母是生产SCP的主要菌种之一，它能利用各种糖质原料，满足自身生长的需要，将外源蛋白氮转化为菌体蛋白⑵。1.1设计条件300L发酵罐，发酵生产单细胞蛋白。1.2发酵工艺单细胞蛋白生产菌的选育一般是以细菌、放线菌、酵母菌、霉菌以及某些原生生物等作为出发菌株。这些微生物通常要具备下列条件：所生产的蛋白质等营养物质含量高，人体无致病作用，味道好并且易消化吸收，对培养条件要求简单，生长繁殖迅速等。1.2.1发酵菌种本设计选用产肮假丝酵母菌(Candidautilis,NCTC3576)。1.2.2发酵工艺流程图图1发酵工艺流程图1.2.3发酵参数pH调控：产肮假丝酵母菌有较宽的pH适应范围，在pH4.0〜7.0范围内，生物生长量没有明显的变化，在pH=5是最佳⑶。温度调控：产肮假丝酵母菌的培养中，将温度从37r降低到28r培养，结果发现，37r并不能提高产肮假丝酵母的生物生长量。从生产过程中的能量消耗考虑，显然28r培养是可取的[3]。1.3发酵罐尺寸及整体设计1.3.1发酵罐的结构形式由于本设计的菌种是产肮假丝酵母菌(Candidautilis,NCTC3576)，故发酵罐可以采用具有转子和定子的自吸式发酵罐。罐中的培养液因通气和搅拌会引起液面上升和产生泡沫，因此罐中实际装料量V不能过大，一般取装料系数为0.6〜0.75。取装料系数门。为0.70则需发酵罐体积为：TOC\o"1-5"\h\zV 0.21V=—0= =0.3ln 0.71.3.2确定发酵罐直径和高度自吸式发酵罐的筒体高度和直径比H0=1.15D罐的全容积V0=4D2[H0+2(hb+：D)]可知：发酵罐内径 D=0.636m 可取D=0.64m=640mm则有：筒体高度 H0=1.15D=736mm发酵罐罐底 C=D=213mm3椭圆短半轴长度ha=0.25D=160mm不同设备的厚度不同，椭圆封头直边高度hb可取30mm、40mm、50mm。根据我们的发酵设备，取椭圆封头直边高度hb=30mm。椭圆封头高度h=ha+hb=160+30=190mm发酵罐总高度H=H0+2h=1116mm1.3.3发酵罐圆筒壁厚的计算a计算发酵设备圆筒壁厚的一些参数如下:计算壁厚：8=P^+C(mm)12Lo师-p式中：5—计算壁厚，m；P—计算压力，kgf/cm2；Di一内径，m；[a]t—设计温下的许用应力；4一焊封系数（与焊接方法及无损探伤有关），取0.8；设计壁厚8壁厚+壁厚附加量C设式中：G是腐蚀裕度，当8-G<10mm时，G=3mmb计算发酵设备椭圆封头壁厚的一些参数如下：Y：开孔系数，取2.3a设计温度下的许用压力（16MnR钢焊接压力容器需用压力为150°C,170MPa）c计算结果 04乂640 .一圆筒壁厚：d1=2170~0^~04+3=3.9mm可取d1=4mm椭圆封头壁厚d=0.4*皿*2.3+3=5.68mm取d=6mm2 2x137x0.8 21.4手孔的设计根据《中华人民共和国机械行业标准锅炉手孔装置》，可得:表1手孔装置的结构要素尺寸类型使用锅炉压力范围P（MPa）椭圆形手孔尺寸（短轴X长轴）有无加强圈A1.6<P^3.8280X94无B1.6<P^3.8288X102无C1.6<P^3.8280X102有DP^1.680X94无EP^1.680X94有FP^1.688X102无GP^1.688X102有本设计设计一个手孔，安装在顶封头上。计算2.1消泡器的计算消泡器位于液面上100mm,长度i=0.65D=0.65X640=416mm2.2传热量的计算发酵罐的传热装置有夹套、内蛇管、外盘管。一般容积较小的发酵罐采用夹套为传热装置，所以本设计选用夹套为传热装置。通常将发酵过程中产生的净热称为发酵热，其热平衡方程可如下表示：Q发酵=Q生物+Q搅拌一Q空气一Q辐射换热面积f=¥发酵匕K性m发酵热效应Q热=QxV夜Q热一发酵热效应,kJ/h枚Qp一发酵热，30000kJ/m3・hV液一发酵液体积，m3贝uQ热=30000x(0.3x0.8)=7200kJ/h2.2.1冷却水量计算发酵过程，冷却水系统按季节气温不同，采用冷却水系统也不同，为了保证发酵生产，夏季必须使用冰水。冬季：采用循环水进口水温t]15°C,出口水温t220°C；夏季：采用冰水进口水温t2'10°C,出口水温t2'20C。冬季冷却用循环水用量计算：(取裕量系数1.2)w1=—Q——= —'发热效应*_ =7.4kg/h1C(t2-11)比热x(循环水出口温度-循环水入口温度) 占夏季冷却用循环水用量计算：W2=3.1kg/h2.2.2冷却器面积计算F=Q总KAtmQ一发酵热效应,kJ/h;夹套的传热系数通常为630〜1050kJ/(m2-h-C)，取传热系数K为850kJ/(m2・h・°C)。△m一对数平均温差：At-m=(T-t1)-(T-t2)=10.3ClndT-t2

F= =0.82m210.3x8502.3叶轮的计算叶轮有三叶轮、四弯叶轮、六叶轮等形式，根据我们发酵罐，可知道叶轮的只要尺寸如下:直径d= 115~31取d1=30mm外径刀D640d广一=——23 3厚度海d 3d=——1—=一4~54取d=7mm=213.33mm〜—=7.5~6mm5640=42.67~20.65mm15~312.4挡板的计算挡板可以有效地阻止罐内液体的圆周运动，减少或阻止液体下凹现像。培养液在挡板的作用下会产生小旋涡，这些旋涡随主体流动遍及整个副产品养液中，提高了混合效果。一般选取全挡板。挡板宽度wb：w=D=640=53.33~64mmb10~1210~12综合设计的参数取值Wb=60mm。当罐体直径小于1000mm时，取2~4块挡板就可以满足设计条件。本设计取2块挡板，令2。2.5夹套的计算对于容积小于5m3的发酵罐，为了便于清洗，多使用夹套为传热装置。表2整体夹套直径的确定DN，mm500~600700~8002000~3000D.,mmDN+50DN+100DN+200由表2可知筒体直径为640mm时候夹套的直径D.为680mm。夹套的高度一般比料液高50-100mm。HL=H•①=116x0.7=781.2mmH页HL+50=781.2+68.8=850mm根据工艺要求，夹套厚度E取3mm三设备选型3.1消泡器的选型根据我们的发酵罐以及计算的结果，我们选用耙式消泡器。3.2叶轮、转子的选型根据计算结果，我们可选择型号为KQW200/300-45/4的叶轮。由于三直叶形转子使用与低转速的好气性微生物产品发酵，而四弯叶转子对液体剪切力较小、消耗功率较小故我们选择用四弯叶转子。3.3罐体、封头的材质考虑从压力、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，因发酵液体偏酸。对罐体不会有太大的腐蚀性，所以罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆街头。3.4罐体和封头的连接方式因为D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。3.5手孔的选型根据我们的发酵罐，选择型号为D80x94—85JB/T2191的手孔。3.6马达的选型根据我们的发酵罐，体积为300L，功率不会超过750W，所以我们可以选择型号为Y80M1-4的马达。3.7轴封的选型轴封的作用是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。常用的轴封有填料函和端面轴封两种。填料函式轴封的优点是结构简单。主要缺点是：死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；端面式轴封的优点：清洁；密封可靠；无死角，可以防止杂菌污染；使用寿命长；摩擦功率耗损小；轴或轴套不受磨损；端面式轴封的缺点：结构比填料密封复杂，装拆不便；对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。本次设计我们采用结构较为简单的填料函式轴封。

四附表附表1罐几何体积项目结果单位发酵罐体积1(V0)300L装料系数2(")0.7装料容积3(VL)210L发酵罐总高度3(H)1116mm发酵罐筒体高度3(H0)736mm发酵罐内径3(D)640mm发酵罐罐底3(C)213mm椭圆短半轴长度3(ha)160mm椭圆封头直边高度3(«)30mm椭圆封头高度3(h)190mm焊接系数2(4)0.8腐蚀裕度2(G)3mm开孔系数2(Y)0.23设计温度下的许用压力2(。)170MPa圆筒壁厚3(Si)4mm椭圆封头壁厚3(&)6mm罐体和封头416MnR钢罐体和封头连接方式4双面缝焊接附表2发酵罐零部件结果项目结果单位叶轮直径3(di)30mm叶轮外径3(d2)213.3mm叶轮厚度3(S)7mm叶轮4KQW200/300-45/4转子4四弯叶转子mm挡板宽度3(Wb)60挡板数2(Zb)2mm消泡器长度3(1)416mm消泡器4耙式消泡器马达5Y80M1-4

附表3传热冷却计算结果项目结果单位发酵热2(Qp)30000kJ/m3*h发酵热效应3(Q热)7200kJ/h裕量系数2(k)1.2冬季循环水进口温度2(t1)15°C冬季循环水出口温度2(t2)20°C夏季循环水进口温度2(t")10C夏季循环水出口温度2(［，)20C冬季冷却循环水用量3(WJ7.4kg/h夏季冷却循环水用量3(W2)3.1kg/h传热系数2(K)850kJ/(m2.h・C)冷却面积3(F)0.82m2夹套直径3(§)680mm夹套高度3(H夹)850mm夹套厚度2(E)3mm注：1要求；2设计条件；3计算；4工艺要求；5参考文献［3］。五总结本设计采用的是带转子和定子的自吸式发酵罐。由于是自吸式发酵罐，故不需要在罐体内装置搅拌装置。优点是氧在发酵液中的溶解速率比较高，因为空气靠发酵液高速流动形成的真空自行吸入，气液接触十分良好，气泡分散较细。第二，发酵罐罐体内没有搅拌装置，大大减少了清洁工作的工作量。缺点是本设计的发酵罐没有设置空气过滤器，又加上进罐空