2m3谷氨酸发酵罐设计.doc

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1、,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11.1 谷氨酸的生产工艺流程11.2 生产原料11.3 发酵菌株21.4 培养基的制备2二、发酵罐主体设计计算32.1 发酵罐主要条件及主要技术指标32.2 罐体选型、几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸的设计计算32.2.1 发酵罐的选型32.2.2 发酵罐容积的确定32.2.3 发酵罐装液量的确

2、定42.3 冷却装置的设计42.4 罐体选料52.4.1 罐体壁厚52.4.2 封头壁厚计算62.4.3 夹套直径62.5 挡板的设计62.6 搅拌器的设计62.6.1 搅拌器的计算62.6.2 搅拌轴功率的计算72.7 管道设计92.7.1 通风管管径计算92.7.2 进出物料管92.7.3 冷却水进出口管径102.7.4 管道接口102.8 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；

3、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：斜面淀粉酶空气水解硫酸盐玉米浆镁盐等调 和摇瓶种子中和空气净化系统调pH压滤种子罐预热发酵罐尿素储罐连消等电点沉淀粗谷氨酸图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。1

4、.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

5、%、蛋白胨1.0%、氯化钠0.5%、琼脂2.0%、pH7.07.2。 （2）一级种子培养基：葡萄糖2.5%、尿素0.6%、KH2PO4 0.1%、MgSO47H2O 0.04%、玉米浆2.33.0ml、pH7.0。（3）二级种子培养基：水解糖1214%、尿素0.50.8%、玉米浆0.50.6ml、KH2PO4 0.10.2%、MgSO47H2O 0.04%、pH7.0。（4）发酵培养基：水解糖1214、尿素0.50.8%、玉米浆0.6ml、MgSO47H2O 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

6、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由工艺条件确

7、定发酵液黏度由工艺条件确定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；罐体直径D=1055.31mm，取整为1100mm；罐体总高度H=2.5D=2.51100mm=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

8、边高度hb=25mm，总深度为Hf =300mm，内表面积，容积。则此时，与前面的假设相近，故可认为D=1100mm是合适的。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=270%=1.4 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： 夹套传热系数： 现取K=4.18220kJ/（m2h） 平均温差：发酵温度t=32；水初温2023，取t1=23；水终温t2=27，则平均温差： 需冷却面积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

9、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D500mm，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

10、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（kgf/cm2）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa）C腐蚀裕度，式中 C1钢板负偏差，现取C1=0.8mm C2为腐蚀余量，现取C2=2mm C3加工减薄量，现取C3=0.2mm2.4.2 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

11、.3 夹套直径夹套直径与筒体直径的关系为：2.5 挡板的设计根据全挡板条件：式中 B挡板宽度 B=0.1D=0.11100=110(mm)D罐径D=1100mmZ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： 叶片宽度：弧长：盘径：叶弦长： 搅拌器间距：底距： 表22m3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）2

12、5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， 醪液密度，=1080 kg/m3 醪液粘度， =210-3Ns/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 式

13、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： 两挡搅拌通气搅拌功率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 Q通风量（ml/min），设通风比VVm=0.110.18，现取0.18；则：Q=1.40.18=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： 搅拌轴直径，n为转速（单位为转/分），系数A可

14、以取97-149，取，已知，则得 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，

15、送风量V为：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121.5mm ，内径为9mm，可满足生产要求。 2.7.2 进出物料管该管为物料进口，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=0.51m/s，现取v=1m/s，则：管径为：采用无缝钢管，管径采用484mm ,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484mm，开在封头

16、上；排料口：484mm，开在罐底；进气口：121.5mm，开在封头上；排气口：121.5mm，开在封头上；冷却水进、出口：43mm，开在夹套上；补料口：484mm，开在封头上；取样口：484mm，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。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，

17、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，

18、 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

19、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）3.5104 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/h25水的比热（Cp）4.18kJ/(kg)25水的密度（水）1kg/m3搅拌器叶径（Di）360

20、mm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）2.6105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/

21、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484mm计算进、出气口直径121.5mm计算冷却水进、出口直径43mm计算补料口直径484mm计算取样口直径484mm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Y250Z根据参考文献6选取液位计R61根据参考文献6选取溶氧探头SENDOF根据参考文献6选取pH探头pHs2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

22、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、仪表接口、人孔和视镜、管道接口等）尺寸的设计。大部分计算结果我们是根据发酵罐的体积来确定的；而有的只能通过查阅文献和相关资料来确定，比如电机的选择、轴径、传动装置等，有的又是根据工艺条件来确定，比如通气量、罐体材料和焊接方式等等。不同于解习题，课程设计的依据和答案往往不是唯一的，务必要注意还要从技术的可行性和经济上的合理性两方面再进行进一步 的分析比较。我们组发酵罐的特色是反应器材料为16MnR钢，采用六弯叶涡轮搅拌器，冷却方式为夹套冷却，夹套冷却虽然传热效果不甚好，但可保证罐内光洁，易清理，不

23、易染菌。课程设计是我们新接触的一门学科，所以其中不可避免的会出现许多的毛病和疏漏，比如图纸的绘制和文章结构和格式规范的某些细节处。只有通过老师多次指出错误之后我们一次次的不断修改和完善，争取利用简洁的文字、清晰的图表和正确的计算设计出一个符合实践生产的发酵罐模型。通过完成这次设计，我们巩固了化工原理设计方面的专业知识，训练了我们利用已学过的理论知识和实际知识分析和解决工程知识的能力，也体会到了团队合作中互相虚心学习，积极讨论的重要性。六、参考文献及资料1 张克旭氨基酸发酵工艺学M北京：中国轻工业出版社，1992.4.2 黄方一等发酵工程M湖北：华中师范大学出版社，2008.6.3 王旭，禹郑超

24、味精发酵生产工艺及其主要设备高等函授学报（自然科学版），1995（4）：45-484 伦世仪生化工程M北京：中国轻工业出版社，1993.10 .5 朱有庭，曲文海，于浦义化工设备设计手册M北京：化学工业出版社，2005.6. 6 吴诗平味精发酵罐课程设计EB/OL7 吴思方发酵工厂工艺设计概论M北京：中国轻工业出版，2007.7.8 陈乙崇搅拌设备设计M上海：上海科学技术出版社，1985.11.9 梅进义260m3发酵罐设计EB/OL 10 潘永亮，刘玉良化工设备机械设计基础M北京：化学工业出版社，2005.9.11 王斐年产三万吨谷氨酸发酵罐设计EB/OL12 梁世中生物工程设备M北京：中国轻工业出版社，2005.2.