发酵工厂工艺设计概论——链霉素生产工艺设计

1、课程设计 链霉素生产工艺设计 课程名称： 发酵工厂工艺设计概论 学 院： 化学与生物工程学院 班 级： 105100102 学 号： 姓 名： 指导老师： 杨艳红 二零一零年六月目 录1前言.22设计任务书.32.1基础数据.32.2设计内容.32.3设计要求.33工艺流程.44工艺计算.44.1物料衡算.44.2热量衡算.54.3水用量的计算.75发酵车间设备(发酵罐)的选型计算.85.1发酵罐的选型.85.2生产能力、数量和容积的确定.85.2.1发酵罐容积的确定.85.2.2生产能力的计算.85.2.3发酵罐个数.85.2.4主要尺寸的计算.85.2.5冷却面积的计算.95.2.6搅拌器

2、设计.105.2.7搅拌轴功率的计算.105.2.8设备结构的工艺设计.126对本设计的评述.157参考文献.178附表一、工艺流程图.9附表二、发酵罐总装置图.1前 言链霉素（streptomycin）是一种氨基葡萄糖型抗生素，分子式C21H39N7O12。 1943年美国 S.A.瓦克斯曼从链霉菌中析离得到，是继青霉素后第二个生产并用于临床的抗生素。它的抗结核杆菌的特效作用，开创了结核病治疗的新纪元。从此，结核杆菌肆虐人类生命几千年的历史得以有了遏制的希望。 链霉素是一种从灰链霉菌的培养液中提取的抗菌素。属于氨基糖甙碱性化合物，它与结核杆菌菌体核糖核酸蛋白体蛋白质结合，起到了干扰结核杆菌蛋

3、白质合成的作用，从而杀灭或者抑制结核杆菌生长的作用。由于链霉素肌肉注射的疼痛反应比较小，适宜临床使用，只要应用对象选择得当，剂量又比较合适，大部分病人可以长期注射（一般2个月左右）。所以，应用数十年来它仍是抗结核治疗中的主要用药。链霉素由灰色链霉菌发酵生产。双氢链霉素可由湿链霉菌产生，但通常以半合成方法生产。发酵工厂工艺设计概论与课程设计是一门综合性、实践性很强的专业课。除了要求设计工作者具有计算、绘图、表达等基本功和专业理论、专业知识外，还应对工厂设计的工作程序、范围、设计方法、步骤、内容、设计的规范标准、设计的经济等内容和要求，熟练掌握和运用。只有这样，才能完成有关的设计任务。发酵工厂工艺

4、设计概论与课程设计是在学生基本学完大学全部课程后，掌握了基础理论、专业理论和专业知识的基础上，培养学生具备发酵工厂工艺、工程设计的能力，进行培养工程师的综合性基本训练。发酵工厂工艺设计概论与课程设计是生物工程专业的重要教学内容之一，是学生学完微生物学、生物化学等基础课程以及发酵工艺学、酶工程、生化产品分离提取、发酵设备、生化工程原理、工业发酵分析等专业课程后所进行的一次综合训练内容包括发酵工艺原理、生化产品分离原理、发酵设备等；其目的是培养学生理论联系实际能力和查阅资料与论文写作能力，为今后的综合实习、毕业设计或工作奠定前期基础。发酵工厂工艺设计概论与课程设计是生物工程专业的一门实用性和技术性

5、很强的专业课程。通过专业课程设计使学生掌握应具备的基本设计技能。待学生走上工作岗位后既能担负起工厂技术改造的任务，又能进行车间或全厂的工艺设计。  通过课程设计，应训练学生提高以下几方面的能力：1、搜集实际工业生产工艺数据，熟悉技术文献资料。2、合理设计工艺路线，准确进行工艺过程计算和设备设计选型计算。3、以精简的文字、清晰的图表来表达个人设计思想、设计结果。4、树立科学、经济的设计思想，兼顾安全、劳保、环保等要求。2 设计任务书2.1基础数据生产规模：800吨/年产品规格：成品效价为800单位/mg生产天数：300天/年接种量15%倒罐率：1%发酵周期：8天 每天放罐：1

6、罐 发酵装料系数：75%发酵液收率：95% 提炼总收率：70%平均发酵水平：25000单位/ml种子培养基配比(g/L)：牛肉膏 6%，葡萄糖 4%，KH2PO4 1%，MgSO4 1%生产培养基配比(g/L)：葡萄糖4%，黄豆饼粉0.8%，玉米浆1.5%，（NH4）2SO4 0.5%，豆油0.2%，KH2PO4 0.01%，CaCO3 0.04%2.2参考数据罐体的高径比H/D：13搅拌桨直径与罐体直径之比Di/D: 1/31/2挡板宽度与罐体直径之比Wb/D ：1/81/12（4块挡板）最下层搅拌桨高度与罐体直径之比：0.81.0相邻两层搅拌桨距离与搅拌桨直径之比：12.5发酵条件：转数3

7、50r/min ,温度28，pH7.2（400L发酵罐）冷却水进出口温度分别为25、30黏度：38cP23设计内容1、 根据以上设计任务，查阅有关资料、文献，搜集必要的技术资料，工艺参数与数据，进行生产方法的选择，工艺流程与工艺条件的确定与论证。2、 工艺计算：全厂的物料衡算；发酵车间的热量衡算（即蒸汽耗量的计算）；水用量的计算；发酵车间耗冷量计算。3、 发酵车间设备的选型计算：包括设备的容量，数量，主要的外形尺寸。4、 对发酵设备进行详细化工计算与设计。2.4设计要求1、 根据以上设计内容，书写设计说明书2、 完成图纸一张（A3号图纸）：发酵设备总装图（剖面和俯视图）。3工艺流程图菌种斜面种

8、子摇瓶种子种子罐发酵罐 4 物料衡算4.1物料衡算 首先计算生产1000kg成品链霉素所需耗用的原辅材料及其他物料量：1. 发酵液量： V1=1000×800÷25000×（11%）×95%×70%=48.61m32. 种子液量(接种量为15%): V2=V1×15%=7.292m33. 牛肉膏耗用量： 种子液用量：V2×6%=7.292×103×6%=437.52kg 4. 葡萄糖耗用量： 种子液用量：V2×4%=7.292×103×4%=291.68kg 发酵液用量：V1

9、×4%=48.61×103×4%=1944.4kg 葡萄糖总共耗用量：291.68+1944.4=2236.08kg5. KH2PO4耗用量： 种子液用量：V2×1%=7.292×103×1%=72.92kg 发酵液用量：V1×0.01%=48.61×103×0.01%=4.861kg KH2PO4总共耗用量：72.92+4.861=77.781kg6. MgSO4耗用量： 种子液用量：V2×1%=7.292×103×1%=72.92kg7. 黄豆饼粉耗用量： 发酵液用量：V

10、1×0.8%=48.61×103×0.8%=388.88kg8. 玉米浆耗用量： 发酵液用量：V1×1.5%=48.61×103×1.5%=729.15kg9. （NH4）2SO4耗用量： 发酵液用量：V1×0.5%=48.61×103×0.5%=243.05kg10.豆油耗用量： 发酵液用量：V1×0.2%=48.61×103×0.2%=97.22kg11.CaCO3耗用量： 发酵液用量：V1×0.04%=48.61×103×0.04%=19.

11、444kg800吨/a，链霉素厂发酵车间的生物料衡算物料名称生产1000kg链霉素产品的物料量800t/a，链霉素生产的物料量每日物料量发酵液量(m3)48.6138888129.63种子液量(m3)7.2925833.619.45牛肉膏耗用量(kg)437.523500161166.72葡萄糖耗用量(kg)2236.0817888645962.88KH2PO4耗用量(kg)77.78162224.8207.42MgSO4耗用量(kg)72.9258336194.45黄豆饼粉耗用量(kg)388.883111041037.01玉米浆耗用量(kg)729.155833201944.4（NH4）2

12、SO4耗用量(kg)243.05194440468.13豆油耗用量(kg)97.2277776259.25CaCO3耗用量(kg)19.44415555.251.854.2热量衡算1.对于单发酵罐，利用直接蒸汽混合加热，蒸汽消耗量为：式中:D蒸汽消耗量,kg G被加热料液量,kgc料液的比热,kJ/(kg·)t2加热结束时料液的温度,t1加热开始时料液的温度,i蒸汽的热焓,kJ/kg加热过程中由于热损失而增加的蒸汽消耗量,可取5%-10%又料液的比热：c=0.37×4.18x+4.18×（1-x） x固形物的质量百分比 根据重庆地区的地理位置及气候条件，取一年中的

13、最低室温10作为料液的初始温度t1，取10%，忽略种子液的加热被加热料液量:G=48610+1944.4+388.88+729.15+243.05+97.22+19.444+4.861 =52037.006kg固形物的质量百分比:x=(52037.006-48610)/52037.006=3427.006/52037.006=6.59%料液的比热: c=0.37×4.18×6.59%+4.18×(1-6.59%)=4.01kJ/(kg·) 故直接蒸汽混合加热，蒸汽的消耗量:D1=Gc(t2-t1)·(1+)÷(i-t2·c)

14、=52037.006×4.01×(121-10) ×(1+10%)÷(503.67-121×4.01)=1.38×106kg2.发酵罐空罐灭菌时的蒸汽消耗量估算：D=5VFs式中: VF发酵罐全容积,m3s发酵罐灭菌时,罐压下蒸汽的密度,kg/m3 灭菌时的温度为121，在该温度下水蒸汽的密度s=943.1kg/m3 发酵罐全容积VF =48.61÷75%=64.81 m3 故 D2=5VFs=5×64.81×943.1=3.056×105kg3.发酵罐实罐灭菌保温时的蒸汽消耗量估算 一般来讲，

15、保温时间内的蒸汽消耗量可按发酵罐实罐灭菌直接蒸汽加热升温时的蒸汽消耗量的30%50%来估算。 故 D3=50%D1=6.90×105kg 总蒸汽的耗用量为:D=D1+D2+D3=2.38×106kg800t/a链霉素车间总热量衡算表名称规格（MPa）每吨产品消耗（kg）每天消耗（kg）年消耗量（kg）蒸汽0.3（表压）2.38×1066.35×1061.904×1094.3耗水量的计算种子液用水量:9.722(m3)发酵液用水量:48.61(m3)发酵冷却水用量:(只考虑全年平均负荷)W=Q÷c2*(tktH)式中:W冷却水消耗量，k

16、g/h Q物料的热效应,kJ/h c2冷却水的比热kJ/(kg*)，通常水的比热为4.183kJ/(kg*) tk冷却水的出口温度 tH冷却水的进口温度在计算冷却水耗量时,其冷却水的进出口温差(t=tktH)取5(冷冻水或冷盐水) 其中发酵罐发酵过程中的热效应计算:Q=QF*VL 式中:Q发酵罐的热效应,kJ/h QF单位体积发酵液所产生的热量,又称发发酵热,kJ/(m3*h),对于链霉素发酵,其值为18800kJ/(m3*h)VL发酵罐内发酵液体积,m3 其中发酵罐内发酵液体积见发酵罐公称容积计算：VL=100*75%=75(m3) 则W=Q÷c2*(tktH)=QF*VL

17、7;c2*(tktH) =18800*75÷4.183*5 =67415.73 kg/h800t/a链霉素车间用水量衡算表名称规格每吨产品消耗定额（t/t）每小时用量（kg/h）每天用量（t/d）年耗量(t/a)冷水自来水606.7467415.731617.984853935 发酵车间设备的选型计算5.1发酵罐的选型根据发酵物的发酵特性，选用机械涡轮搅拌通风发罐(通用罐)，选用此种发酵罐的原因主要是：历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。5.2生产能力、数量和容积的确定1、发酵罐容积的确定公称容积的计算 V0=800*1000*800÷（25

18、000*300*2*99%*95%*75%）÷70%=86.41 (m3),取100(m3) 则选用公称容积100m2的发酵罐。2、生产能力的计算平均每罐发产品生产量：100*75%*99%*95%*70%*25000/800=1543.01(kg)3、发酵罐个数 N=发酵周期×每天放罐数=8*2+1=17个4、主要尺寸的计算公称容积：100m3发酵罐的H/D值取2， 0.785=118 则. 取D=4m H=2D=8m；查表知封头高： 验算全容积：m3 100m3通用式发酵罐的主要尺寸来确定.得到罐内径m4.0封头容积m38.98圆柱高m8.0圆柱部分容积m310048封

19、头高m1.05不计上封头的容积m3109.46罐体总高m10.1全容积m31185.冷却面积的计算：发酵罐采用内部列管式蛇管换热,外部表面采用喷淋冷却方式。蛇管进水温度为25,出水温度为30,醪液温度不超过36。冷却面积使用牛顿传热定律公式计算，即：式中：F冷却面积,m2Q总发酵罐的热效应,kJ/hK竖式列管换热器传热系数,选用4.18×500kJ/(m3·h·)tm对数平均温差,其中平均温差 =(36-25)(36-30)÷(11/6) =8.2故冷却面积：=18800×75÷(4.18×500×8.2)=82.

20、27m2又圆筒外表面积为：A0=·D·H0=3.14*4*8=100.48m2 因为外淋罐壁冷却效果相当于50%的列管冷却面积,相当于列管面积为100.48×50%=50.24m2 所以发酵罐内列管冷却面积为82.2750.24=32.03m2 6.搅拌器设计： 从消耗功率来看：平叶>弯叶>箭叶从发酵液中气含率来看：平叶>弯叶>箭叶从轴向混和效果来看：箭叶>弯叶>平叶从上述条件综合考虑，再考查国内外的主要选型情况。本次设计选用六弯叶涡轮式搅拌器。常用六弯叶涡轮式搅拌器的尺寸比列为h:b:d1:d=4:5:13:20，r=0.5d

21、1，=38°由前得出d=2m,可推出h=0.4m，b=0.5m，d1=2.6m，r=1.3m，=38°。采用3层搅拌器，最下层搅拌桨与罐体直径之比取0.8，则最下层搅拌浆高度为3.2m，根据静液面高HL=6.31m,选取相邻两层搅拌桨距离与搅拌桨直径之比为1,则相邻两层搅拌桨距离为2m。7搅拌轴功率的计算搅拌转速以小罐为比拟放大，其转数为N1=350r/min，搅拌叶径D1=0.25m，按比拟放大公式：N2=N1(D1/D2)2/3=350×(0.25/2)2/3=87.5r/min参考设计数据与工厂实际，为保证发酵罐的溶氧系数，取N2=95r/min。发酵液体被

22、搅动后流体的雷诺数可用下式计算： =（95/60）×1.552×1078.598/38×=4.3×105>104 视为湍流状态此状态下，单一搅拌器的轴功率：P =NpN3D5=4.8×(95/60)3×25×1078.598 =657.61kw上两式中：Np功率系数,在圆盘弯叶涡轮式湍流情况下取值4.8N搅拌转数,r/sD搅拌器直径，m液体密度kg/m3,热量衡算中己算出,1078.598kg/m3醪液黏度，N·s/m2在计算搅拌轴功率时,因HL/D,D´/D值不符合标准尺寸范围,根据实际情进行校正

23、,校正式为:P校=P(D´/D)·(HL/D)÷(D´/D)*÷(HL/D)* =P0.5×3.16÷(1/3)÷31/2 =826.60kw式中：(D´/D)*和(HL/D)*为标准尺寸范围值,而(D´/D)和(HL/D)为实际值. HL液面静高,其值为圆柱部分液高5.256m+底封头高1.05m,共高6.31m D搅拌器直径,2m总轴功率可由下式计算：Pm=P校1+0.6·（m1）本设计为3层搅拌器，则总轴功率：Pm=P校1+0.6×（31） =2.2P校 =2.2

24、15;826.60 =1818.53kw根据轴功率Pm可得出所需电动机输出功率:P电=(Pm+PT)/ =Pm(1+10%+2%)/ =1818.53×1.12/0.95 =2143.95kw式中：PT轴封摩擦损失之功率,kw,分为填料合轴封摩擦损失功率取10%Pm,端面轴封摩擦损失的功率取2%Pm传动机构效率,皮带传动为0.958设备结构的工艺设计 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，以供制造加工和采购时取得资料数据。本设计的主要辅助设备包括：1 空气分布器 对于好气发酵罐,分布器主要有两种形式,即多孔（管）式和单管式,本设计的发酵流程通气量大,所以采用单

25、管通风。由于其进风速高,又有涡轮板阻挡,叶轮打碎、溶氧是没有问题的。通气管贴着罐壁到发酵罐底部，在搅拌器正下方开口向下。2 挡板挡板的作用是加强搅拌强度。本设计中虽有竖式冷却蛇管，但为了消除液面漩涡，更好的提高搅拌功率，采用4块挡板，挡板的宽度W取罐径的1/10，为0.2m。挡板与罐壁之间应留有一定的间隙，避免培养液中的固体成分堆积在挡板背侧，其大小为0.1W，0.02m。3 密封方式主要是指搅拌轴的密封问题，搅拌抽伸入罐内的方式主要有三种：从顶部伸入，从底部伸入和斜入法，斜入不是本设计的考虑范围。而对于顶部伸入和底部伸入法，小罐适合顶部伸入法，而大罐则采用从底部伸入，此法有很多优点，如转动噪

26、声小，重心低，可以减少罐壁厚度，轴的长度缩短后，可使稳定性提高，罐底的空间可以充分安装机械消沫等自动控制部件。本设计由于发酵罐较大，故采用底部伸入法。但采用底部伸入法后，对轴封的要求就更为严格，因此本设计采用双端面机械轴封，并用无菌油类或水进行冷却和润滑。4 冷却管布置由冷却水用量衡处得冷却水体积流量为W=18.73×10-3m3/s,冷却方式采用内置竖直蛇管.取冷却水在竖直蛇管中流速v=1m/s,则根据流体力学方程式,冷却管总截面积：S总=W/v=18.73×10-3 m2则进水总管直径d总=(S总/0.875)1/2=0.154m（1）冷却管组数和管径：设管径d0.组数为n.由前得到的S总=n·0.785d02根据发罐的尺寸,选择8组竖直蛇管.则管径d0=S总/(n·0.785)1/2 =18.73&