年产3000t金霉素--发酵车间

1、课程设计说明书学 院： 专业班级： 课程名称：发酵工程课程设计题 目：生产3000吨饲料级金霉素发酵罐 学生姓名：学 号：指导老师： 2016年6月-9月课 程 设 计 任 务 书一设计目的学习本课程的目的是使学生在学完生物工程专业的有关课程后，尤其是在学完发酵工程和生物工程设备这门课程后，综合运用3年所学的全部知识，进行工厂的初步设计。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。二 设计资料(一)设计题目: 年产3000吨金霉素发酵罐设计(二)设计内容及相关数据1) 设计年产量M=3000t/a 2) 年工作

2、日：m=330 d 3) 年平均发酵水平：=30000单位/毫升4) 提炼总收率：=95%5） 成品效价=1100 u/mg  课 程 设 计 任 务 书三设计内容和要求（一）设计内容1) 工艺计算：发酵罐尺寸计算，热量衡算，物料衡算，热量。2) 发酵设备的选型计算：包括设备的容量、数量、主要的外形尺寸。 并选择其中某一重点设备进行单体设备的详细化工计算与设计。（二）设计要求 1) 根据以上设计内容，撰写设计说明书。 2) 完成2 张CAD平面设计图纸：全厂工艺流程图，发酵罐。四主要参考文献1 吴石金，林春锦，徐明仙.饲料添加剂M，北京：化学工业出版社，20042

3、 莫棣华.饲料金霉素添加剂的推广应用前景J,广东畜牧兽医科技， 1993,1:48-503 沈自法，唐孝宜.发酵工厂工艺设计M，上海：华东理工大学出版社，19944 吴思方.生物工程工厂设计概论M，北京：中国轻工业出版,19945 陈志平.搅拌与混合设备设计选用手册M，北京：化学工业出版社，20036 俞俊棠，唐孝宜.新编生物工艺学M，北京：中国轻工业出版社，20027 何德员.新型发酵罐的结构设计J,化工设计杂志，1999,36(2):8-10五课程设计进度安排本课程设计时间： 2016年6月26日2016年9月6日6月26日7月10日选题，下达任务书；拟定初步设计方案7月11日8月20日

4、课程设计说明书的撰写；图纸的绘制8月21日8月31日 提交电子版给指导老师初审；反馈修改9月1日 9月5日 打印、装订9月6日 9月8日提交成绩审核表；汇总上报课程成绩。目 录摘 要11 概 述21.1 产品简介 21.2 生产方法 21.3 产品生产金霉素工艺流程21.4 发酵车间工艺参数控制点32 工艺计算42.1 发酵罐计算42.1.1 基础数据42.1.2 根据年产量计算每日发酵液量42.1.3 发酵罐台数42.1.4 发酵物料计算42.1.5 发酵罐物料消耗计算52.1.6 补料罐物料消耗计算62.2 二级种子罐62.2.1 二级种子罐物料衡算72.2.2 二级种

5、子罐个数计算72.2.3 二级种子罐物料消耗计算 82.3 一级种子罐82.3.1 一级种子罐物料衡算82.3.2 一级种子罐个数计算92.3.3 一级种子罐物料消耗计算92.4 热量计算92.4.1发酵罐热量计算 102.4.2二级种子罐热量计算 102.4.3一级种子罐热量计算 112.5 用电量计算112.5.1发酵罐用电量112.5.2二级种子罐用电量112.5.3一级种子罐用电量112.5.4补料罐用电量122.5.5泵的用电量122.5.6鼓风机用电122.5.7照明、监控及其它用电122.5.8年总用电量123 典型设备计算133.1 发酵

6、罐133.1.1 发酵罐尺寸的计算133.1.2 发酵罐搅拌装置选择和轴功率计算133.1.3 发酵罐的换热设备144 非标准设备174.1 补料罐174.2 氨水罐174.3 泡敌罐174.4 植物油（豆油）罐174.5 车间设备一览表17致 谢18参 考 文 献19摘 要本次课程设计的任务是年产3000吨饲料级金霉素发酵罐发酵工段工艺设计。在家禽的饲养中饲料是现代养殖业的主要饲养原料，所以饲料的优化成为提高肉类质量及产量的主要突破口。金霉素可以抑制敏感微生物的蛋白质合成从而起到抗菌作用，并且生产较廉价具有安全性故成为现在饲料的主要添加剂。金霉素是由发酵法生产，主要应用于人和动物的使用。设计

7、首先依据参考资料确定金霉素发酵工艺流程，通过物料衡算确定需要100m3的发酵罐6台、10m3的二级种子罐3台以及1.8m3的一级种子罐3台。在此基础上得到各种发酵原料量，通过能量衡算确定水、无菌空气和蒸汽等的消耗量。然后对主要设备进行计算和选型，得出发酵罐、二级和一级种子罐及通用设备、非标准设备等的结构尺寸、冷却装置、传动装置、接管设计。根据工艺要求确定罐的附属设备和辅助设备以及发酵过程中的优化控制。根据计算结果设计并制图纸，分别为发酵罐装配图、工艺管道及仪表流程图图纸、厂房车间布置图、物料流程图和设备一览表。关键词：发酵；金霉素；工艺1 概 述1.1 产品简介 四环素类（Tetra

8、cyc1ines）以并四苯母核的化学结构而得名，而金霉素（Chlortetracyc1ine)，又称氯四环素，属四环素类中衍生物的一种，其他衍生物还包括：金霉素、甲烯金霉素、多西环素、二甲胺四环素等。 金霉素抗菌谱广，对阳性菌、阴性菌、螺旋体、立克次氏体、支原体、衣原体、某些原虫等均可产生抑制作用。分子式：金霉素结构式见下图1-1：图1-1 金霉素结构1.2 生产方法 饲料级金霉素是经过上游发酵以及下游钙化等步骤相结合进行生产的1。饲料级金霉素是利用金色链霉菌在玉米淀粉及豆质糊精和无机盐等组成的发酵培养基中产生的次级代谢产物。发酵培养采用实罐灭菌法，在整个发酵培养过程中严格

9、控制无菌状态和保持适宜的罐温、罐压并通入无菌空气并不断搅拌。按照发酵代谢过程中pH变化、糖量的变化，采用相应的通氨、补料工艺措施以保证一定的营养成分以及酸碱度2。发酵液经过下的游钙化、过滤浓缩和干燥、粉碎以及过筛、混合等下游过程得到成品。1.3 产品生产金霉素工艺流程砂土管孢子母斜面孢子挑孢子子斜面孢子种子培养液发酵液提炼混合包装成品1.4 发酵车间工艺参数控制点（1）pH值控制：金色链霉菌生长的最适pH值范围在6.0-6.8，在其生物合成金霉素的最适pH值为5.9左右，所以通过在不同阶段加入相应量的葡萄糖或氨水等方法来控制pH值在5.9左右。（2）温度控制：根据发酵罐菌丝生长的特性分阶段培养

10、，前期高与后期。其菌株30以下合成金霉素的能力较强，如果提高温度，则产生四环素的比例增大，在35时将只产生四环素。一般情况下，发酵温度采用31.5。（3）消泡控制：由于通气和搅拌过程，必使发酵液或培养液产生大量的气泡或泡沫，泡沫的产生会占用发酵体积和产生染菌甚至逃液现象。因此，必须及时加入消泡剂以减少泡沫。常用的消泡剂为植物油。 （4）补料控制：在发酵生产过程中，伴随着培养基的消耗，营养条件的变化直接影响产量的变化。故需要补充一定数量的营养剂以达到产量的最大化。 2 工艺计算2.1 发酵罐计算2.1.1 基础数据设计年产量M=3000t/a年工作日：m=330 d  年平均

11、发酵水平：=30000单位/毫升 提炼总收率：=95%成品效价=1100 u/mg2.1.2 根据年产量计算每日发酵液量由设计要求年产量M=300020%=600 t/a (其中20%为金霉素纯度)每天放罐发酵液体积：根据具体生产情况和设计要求取 （罐/天）；发酵罐公称容积参考资料，根据国内常用通用式发酵罐的容积，取。校正：，符合要求。2.1.3 发酵罐台数发酵台数 ；取整为6台。根据生产情况和设计要求取金霉素发酵周期为140h（发酵时间100h，辅助时间40h）。辅助时间为出料时间、灭菌时间、移种时间、放罐压料时间和清洗检修时间总和。2.1.4 发酵物料计算每罐发酵液体积 物料流入

12、量为基础培养基（消毒后）、所需种子液量、补料量和氨水用量之和。物料流出量为成品液鱼损失液量之和。损失液量为尾气、逃液、蒸发和取样量之和。 发酵罐物料组成如表2-1-1所示。表2-1-1 发酵罐物料组成原料组成配比（Kg/m3）消耗量（Kg/d）年消耗量（Kg/a）玉米淀粉86.413579.101181103.7豆质糊精34.281419.88468559.6玉米蛋白7.565313.34103402.95酵母粉16.23672.25221841.37玉米浆21.65896.74295925.19泡敌0.42317.525781.82淀粉酶0.2168.952952.42硫酸铵0.86435.

13、7911809.67氯化钠4.31178.5258911.67碳酸钙6.481268.4488586.196硫酸二氢钾0.32513.464442.295硫酸镁0.28811.933936.56植物油或豆油3.18131.7243466.15图2-1-2 发酵罐物料衡算示意图发酵罐物料关系可用图2-2表所示（占总体积%），又知所以，出料量=；损失液量=78-70.2=7.8培养基 消毒前：V1=78×50%=39；消毒后：V1=78×53%=41.34种子液量：V2=78×9%=7.02补料量：V3=78×33%=25.74氨水量：V4=78×

14、5%=3.9校核：接种比=2.1.5 发酵罐物料消耗计算已知培养基消耗量V1'=41.34，设运输过程中损失0.2%，那么实际量为：即每台发酵罐每批次需培养基41.42。其物料衡算可以用图2-1-3表示。图2-1-3 发酵罐物料组成衡算示意图2.1.6 补料罐物料消耗计算由2.1.4知补料量V3=78×33%=25.74，设运输过程中损失0.2%，那么实际量为：即每台发酵罐每批次需补料量为25.79，其物料组成如表2-1-4所示。表2-1-4 补料罐物料组成原料组成配比（Kg/m3）消耗量（Kg/d）年消耗量（Kg/a）玉米淀粉37.8974.862321704.46豆质糊精

15、5.4139.26645957.78玉米蛋白5.4139.26645957.78酵母粉4.32111.41336766.22玉米浆21.72560.159184852.4泡敌0.43211.1433676.62淀粉酶0.64816.715514.93硫酸铵8.64222.82673532.45氯化钠2.769.63322978.89碳酸钙5.4139.26645957.78硫酸二氢钾6.48167.1355149.37硫酸镁0.1945.001651.00植物油或豆油3.1882.0127064.032.2 二级种子罐2.2.1 二级种子罐物料衡算种子罐物料衡算如图2-2-1所示。消毒后 87

16、%消毒前 82%图2-2-1 二级种子物料衡算由2.1.4可知，需种子液量V2=78×9%=7.02，设运输过程损失为0.2%，那么实际量为，即种子罐出料量为那么培养基：消毒后 7.17×87%=6.24 消毒前 7.17×82%=5.88损失量：7.17-7.03=0.14接种量：7.17×13%=0.93所以，可以用图2-2-2表示。图2-2-2 二级种子罐物料衡算示意图2.2.2 二级种子罐个数计算种子罐培养过程装料系数=70%，故二级种子罐公称体积根据国内常用种子罐容积系列取V0=10m3。根据生产情况设计取种子发酵周期48h，其中发酵时间40h

17、，辅助时间8h。二级种子罐台数罐，取整罐考虑到种子罐种子生长不良或染菌会造成发酵罐停工待种以及调整发酵罐接种时间，故取3罐，其中一罐备用。2.2.3 二级种子罐物料消耗计算 由前面知二级种子罐所需实际培养基为5.88m3，令运输过程中损失为0.2%，那么实际消耗量为：。则种子培养基原料消耗具体情况如表2-2-3所示。表2-2-3 种子培养基原料具体消耗情况原料名称配比（kg/m3）消耗量（kg/d）每年消耗量（kg/a）玉米淀粉54.26320.134105644.22豆质糊精36.32214.28870715.04酵母粉21.60127.44042055.20植物油6.48038.

18、23212616.56硫酸铵5.40231.87210517.69碳酸钙5.40231.87210517.69氯化钠3.24119.12196310.227磷酸二氢钾0.21651.27735421.5255硫酸镁0.271.593525.69泡敌0.452.655876.152.3 一级种子罐2.3.1 一级种子罐物料衡算一级种子罐物料衡算关系同二级种子罐相同，可用图2-2-1表示。 已知所需的种子液为0.93m3，令运输过程中损失0.2%，则需种子罐提供的种子液为：出料量：损失量=0.95-0.93=0.02培养基  消前V1=0.95×82%=0.

19、78；消后V1'=0.95×87%=0.83 接种量 V2=0.95×13%=0.12所以可用图2-2-4表示图2-2-4 一级种子罐物料衡算示意图2.3.2 一级种子罐个数计算，根据国内常用种子罐容积系列取V0=1.8m3。3根据生产情况设计取种子发酵周期48h，其中发酵时间40h，辅助时间8h。二级种子罐台数罐，取整罐考虑到种子罐种子生长不良或染菌会造成发酵罐停工待种以及调整发酵罐接种时间，故取3罐，其中一罐备用。2.3.3 一级种子罐物料消耗计算已知一级种子罐需培养基0.78m3，令运输过程损失为0.2%，那么实际用量为： 

20、60;一级种子罐培养基原料消耗情况如表2-2-5所示。表2-2-5 种子培养基原料具体消耗情况原料名称配比（kg/m3）消耗量（kg/d）每年消耗量（kg/a）玉米淀粉54.2642.32313966.59豆质糊精36.3228.3309348.9酵母粉21.6016.8485559.84植物油6.4805.3351760.55硫酸铵5.4024.2141390.62碳酸钙5.4024.2141390.62氯化钠3.2412.507827.31磷酸二氢钾0.21650.16955.77硫酸镁0.270.21169.63泡敌0.450.351115.832.4 热量计算发酵罐在发酵过程中产生的热

21、效应：Q=QV×QL 式中: Q-发酵热效应， Qv-发酵热，         QL-发酵液体积，m3在发酵过程中的金霉素发酵热一般为16000-21000kJ/(m3h)，现取Qv=19000kJ/(m3h)，则每个发酵罐在发酵过程中产生的热效应计算如下：Q=19000×70.20=1333800kJ/h二级种子罐为： Q'=19000×7.17=136230kJ/h 一级种子罐为： Q”=19000×0.95=18050kJ/h2.4

22、.1发酵罐热量计算 根据能量守恒定律有：Q待冷却+Q散+Q蒸汽耗热=Q发酵热+Q搅拌热  式中：Q待冷却待冷却的热量，kJ/h        Q散向环境中散发的热量，kJ/h        Q蒸汽耗热蒸汽耗热量，kJ/h        Q发酵热发酵热效应，kJ/h    Q搅拌热搅拌产生的热量，kJ/h Q蒸

23、汽耗热=åQ气=0.2Q发酵热Q搅拌热=3600Ph式中：P搅拌轴的功率，kW       供热转化热（取92%） 由于Q散远比Q发酵热小故可忽略，又知Q发酵热=1333800kJ/h 所以：Q蒸汽耗热=0.2×1333800=266760kJ/h 由3.1.2知Pg=63.97kW 所以Q搅拌热=3600×63.97×92%=211868.64kJ/h 故每个发酵罐Q待冷却=1333800+211868.64-266760=1278908.64

24、kJ/h 2.4.2二级种子罐热量计算 同理知Q'发酵热=136230 kJ/h 所以Q'蒸汽耗热=0.2Q'发酵热=27246kJ/h 由3.2.2知二级种子罐Pg=6.25 KW，取=85% 所以Q'搅拌热=3600×6.25×85%=19125kJ/h 故每个二级种子罐Q'待冷却=Q'发酵热+Q'搅拌热-Q'蒸汽耗热=136230+19125-27246=128109kJ/h 2.4.3一级种子罐热量计算 与发酵罐同

25、理。 已知Q”发酵热= 18050(kJ/h)，取=80% 所以Q”蒸汽耗热=0.2×18050=3610kJ/h。 由3.3.2知一级种子罐的搅拌轴功率为Pg=0.59kW则：Q”搅拌热=3600×0.59×80=1699.2 (kJ/h)  故每个一级发酵罐Q”待冷却=Q”发酵热+Q”搅拌热-Q”蒸汽耗热=18050+1699.2-3610=14609.2 kJ/h2.5 用电量计算2.5.1发酵罐用电量由下章知每个发酵罐电机的额定功率为75kw，则每批次发酵罐用电量为：由于发酵罐每年发酵3

26、30批次，所以发酵罐年用电量为：2.5.2二级种子罐用电量由下章知二级种子罐电机额定功率为7.5kw，则每批次用电量为：每年330批次故二级种子罐年用电量为：2.5.3一级种子罐用电量由下章知一级种子罐电机额定功率为0.75kw，则每批次用电量为：故一级种子罐年用电量为：2.5.4补料罐用电量由第七章知补料罐电机的额定功率为4kw，则每批次用电量为：故年用电量为：2.5.5泵的用电量泵包括补料泵、一级，二级种子罐泵、氨泵、油泵、泡敌泵其电机额电功率分别为：0.75kw,0.55kw,0.75kw,0.8kw,5.5kw,5.5kw。（1）补料泵、氨泵、油泵、泡敌泵年总用电量设泵24h工作则年总

27、用电量为：（2）二级种子罐泵用电量已知每罐需0.45h排空，故二级种子罐年用电量为：（2）一级种子罐泵用电量已知一级种子罐0.49h排空，故年用电量为：2.5.6鼓风机用电已知鼓风机电机额定功率为250kw，2台，令一天24h工作，则年用电量为：2.5.7照明、监控及其它用电取照明、监控以及其它每天用电量为25kw·h，那么则年用电量为：2.5.8年总用电量 年总用电量是各用电设备年用电量之和，若取裕量系数为1.1，则年总用电量为： 3 典型设备计算3.1 发酵罐3.1.1 发酵罐尺寸的计算发酵罐总体积为 由2.1.2知V0=100m3，取H=2D，则，解得D=3.88m参考资料4，

28、将罐径调整到常用发酵罐系列，则D=4m查资料3得知公称直径D=4000mm时封头ha=1000mm，hb=50mm则 ，取国内常用发酵罐系列H=8000mm所以发酵罐公称体积为100m3，全容积为118m3，直径为4m。罐体总高度：H0=H+2(ha+hb)=10.1m 圆筒部分装液量为：Vc'=Vd+Vb=70.2-9.02=61.18m3 故圆筒部分液面高：所以发酵液总高度为：HL=HL+ha+hb=4.87+1.00+0.05=5.92m3.1.2 发酵罐搅拌装置选择和轴功率计算(1) 搅拌装置本设计采用六弯叶圆盘涡轮式最合适。其主要尺寸如下： 搅拌

29、器直径d=0.34D=0.34×4000=1360mm 叶宽b=0.2d=0.2×1360=272mm 叶弦长L=0.25d=0.25×1360=340mm 弧长r=0.375d=0.375×1360=510mm 底距C=0.8D=0.8×4000=3200mm 盘径=0.75d=0.75×1360=1020mm 叶距S=d=1360mm 弯叶板厚度=12mm(2) 搅拌轴功率计算 不通气条件下的搅拌功率根据资料5知，六弯叶涡轮浆雷诺特征数Np是4.8。搅拌转速n可

30、按搅拌器直径为1.05m，转速为N=110r/min的50m3的罐，用P0/V为基准放大计算得到：又因为=1080kg/m3，故P=4.8×1080×1.543×1.365=88.1kw又已知D=4m,d=1.36m ,HL=5.92m所以：实=搅拌器层数，故取2层搅拌器。所以轴功率为Pm=P实（0.4+0.6m）=105.07×（0.4+0.6×2）=168.112kw 通风条件下的搅拌功率已知Qg=65.5m3/min, n=1.54×60=92.4r/min ,K随搅拌器形式不同而不同，根据资料对通

31、用涡轮式搅拌器K取0.156所以通风条件的搅拌功率为：k则电动机功率参考资料5,6,选取电动机功率为50kw其型号为YJL12-10，采用YP系列皮带减速机。3.1.3 发酵罐的换热设备（1）冷却面积计算发酵罐的传热装置有夹套、内蛇管和外盘管，一般容积为5m3以下的用夹套换热装置，大于10m3的罐用蛇管和外盘管。 夹套的换热系数通常为630-1050KJ/(m2h)，蛇管和外盘管为1260-1680KJ/(m2h)。在本设计中采用蛇管、外盘管传热系数为1500KJ/(m2h)，夹套为840KJ/(m2h)。已知Q=1278908.64KJ/h，K=1500KJ/(m2h)，发酵温度为

32、32，冷却水（按夏季）进出口温度分别为13，27。冷却面积，又因为，解得F=81.28m2若考虑到消毒后培养基冷却等因素，则还应乘以系数1.17即：F实=1.1F=1.1×81.28=81.408m2对于100m3发酵罐的可用传热外表面积F'为： =¢因为F实>F，故选择在罐内装置竖式蛇管。（2）进水管总直径若按用水量大的夏季用水量计算则有：w=6.89×10-3m3/s，流速v=1.0m/s则冷却管总截面积S总=，进水管直径。查表7,选取的无缝钢管。（3）竖式蛇管设计取n=6，所以查表7，取的无缝钢管，所以d内=45-3.5×2

33、=38mm现取竖式蛇管圆端部为U型弯管，曲径为250mm，那么两直管的间距离是500mm。设两端弯管总长度为l0,则：l0=冷却管总长度、组数确定那么每组蛇管长为：令每组蛇管需连接长度为1m则：若可排竖式蛇管的高度设为静夜面高度，下部可深入封头200mm，则竖式蛇管的高度由圆筒部分液面和深入封头高度两部分组成。故竖式蛇管高度为：所以蛇管的竖直部分高度为：及有一圈管长为，取整为11.00m。因此每组蛇管可绕圈数>6不符，所以外加外盘管。现取竖式蛇管换热面积F2为47m2，则外盘管换热面积F1=81.28-47=34.28m2 因此冷却蛇管总长度为每组蛇管长为： ；所以<6圈符合，故取6圈。根据蛇管与搅拌器间最小间距为250mm，取管间距为2.5d=112.5mm，竖式蛇管与罐壁距离为100mm则：>0.250m符合条件在满足各种指标下，排两组蛇管所占长度、蛇管与两边罐的距离，两面蛇管与搅拌器的距离及搅拌器叶径之和小于罐径8。故蛇管可放入，不会产生碰撞，不会对其他部分产生影响。（4）外盘管设计另此处取的半圆管，那么：外盘管管长：。缠绕圈数：圈（D为罐径），取38圈。4 非标准设备4.1 补料罐已知每天需要消耗料液量是25.74m3，现取装料系数70%，那么公称体积是：取国内常用发酵罐公称体积为50m3的罐。4.2 氨水罐已知每天消耗氨水量为3.9m3，现取公称体积为