黑曲霉菌株发酵生产糖化酶发酵罐设计

1、目录第一章 绪论 0第二章 罐体几何尺寸的确定1夹套反应釜的总体结构1几何尺寸的确定1第三章 罐体主要部件尺寸的设计计算3罐体 4罐体壁厚4人孔和视镜4接口管 5管道接口（采用法兰接口）5仪表接口5第四章 冷却装置设计6冷却方式6装液量 6冷却水耗量7冷却面积7第五章 搅拌器轴功率的计算9不通气条件下的轴功率P0 9通气搅拌功率Pg的计算9电机及变速装置选用10第六章 结论 11参考文献11第一章绪论我设计的是一台30M机械搅拌通风发酵罐，发酵生产糖化酶糖化酶生产菌重要的有：雪白根霉，德氏根霉，河内根霉，爪哇根霉，台湾根霉， 臭曲霉，黑曲霉，河枣曲霉，宇佐美曲霉，红曲霉，扣囊拟内抱霉，泡盛曲霉

2、，头抱霉， 甘薯曲霉，罗耳伏革菌。C, pH为，培养基为玉米粉,玉米浆2%豆饼粉2%&成。主要生产工艺过程为如下：菌种用蔡式蔗糖斜面于32c培养6天后，移植在以玉米 粉，玉米浆2%组成的一级种子培养基中，与 32c摇瓶培养24-36h,再接入（接种量 1%种子罐（培养基成分与摇瓶发酵相同），并与32c通气培养搅拌24-36h,然后再接 入（接种量5%-7%发酵罐。发酵培养基由玉米粉 ,玉米浆2%豆饼粉2%&成（先用 a-淀粉酶液化），发酵温度为32C,在合适的通气搅拌条件下发酵 96小时酶活性可达 6000u ml-1 。发酵液滤去菌体，如有影响糖化效率的葡萄糖甘转移酶存在，则

3、通过调节滤液PH等方法使其除去，再通过浓缩将酶调整到一定单位，并加入防腐剂（如苯甲酸） 。如制 备粉状糖化酶，则可通过盐析或加酒精使酶沉淀，沉淀经过压滤，滤泥再通过压条烘干， 粉碎，即可制成商品酶粉。发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，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!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

4、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视图，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1-1发酵罐主要设计条件项目及代号参数及结果备注1工作压力由工艺条件确定设计压力由工艺条件确定发酵温度（工作温度）33 C根据参考文献1选取冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定/口加小玉米粉,玉米浆2%豆饼粉2%a成根据参考文献1选取发酵液密度由工艺条件确定发酵液黏度由工艺条件确定第二章罐体几何尺寸的确定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

5、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，工艺接管等附件一起， 构成完整的夹套反应釜。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=,则H= 初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（30M3）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 V1

6、 -D2hb -D2ha -D2（hb 1 D）4646V0 -D2 H 2 hb -D（近似公式）46假设Ho/D 2 ,根据设计条件发酵罐的公称体积为 30M32 3由公称体积的近似公式V/4 D H0 0.15D可以计算出罐体直径，D=罐体总高度取整为6480查阅文献2),当公称直径DN 2600mm时，标准椭圆封头的曲面高度 ha 1/4D 575mm，直边高度hb 40mm ,总深度为Hf 690mm,内表面积Af 7.65m2 , 容积 Vf 2.51m3可得罐筒身高H0 H 2Hf 6480 2 690 5100mm则此时H0/D 5100/2600 1.961538462,与前

7、面的假设Ho/D 2相近，故可认为D 2600mm是合适的发酵罐的全体积V TtAD2H。2Vf 冗/4 26002 5100 2 2.51 32.097m3 30.0m3搅拌叶直径取 Di 800mm,其中 Di/D 800/2600 0.31 符合 Di/D 1/2 1/3根据文献网搅拌叶问距S 2Di 2 800 1600mm底搅拌叶至底封头高度C Di 800mm表2-1大中型发酵罐技术参数3 mH(mm)mmr/minkw10320018001215021470022002115430306600240034180455070002800-300038-601605560800030

8、00-3200651606575800032008416510010094003600114170130200115004600221142215表2-2 30m 3发酵罐的几何尺寸m330设计条件全体积m332计算罐体直径mm2600计算发酵罐总高mm6500计算发酵罐筒体高度mm5100计算搅拌叶直径mm800计算椭圆封头短半轴长mm650计算椭圆封头直边高度mm40计算底搅拌叶至封头高度 mm800计算搅拌叶间距mm1600计算第三章罐体主要部件尺寸的设计计算罐体考虑压力，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。因糖化酶是偏酸性（pH值为），对罐体不会有太大腐蚀

9、，所以罐体和圭头都使用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。0.3 26002 170 0.8 0.35.87 mm ,取 6mm罐体壁厚i pD C mm2 PD罐体直径（mrmp-耐受压强（取小一焊缝系数，双面焊取设计温度下的许用应力（kgf/c m2） （16MnRffi焊接压力容器许用应力为150C, 170MPa C 腐蚀裕度，当 6 -C<10mrftf, C= 3mm封头壁厚计算立 Cmm 0.3 2600 2.3 3 9.6mm,取 10mm。22 170 0.8D罐体直径（mrmP耐受压强（取K开孔系

10、数，取-焊缝系数，双面焊取（T 设计温度下的许用应力（16MnRffl焊接压力容器许用应力为150C, 170MPa搅拌器采用涡轮式搅拌器，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3 . . 一，一功率消耗也大；查阅文献2可知30M发酵罐米用6-6-6弯叶式搅拌叶，叶径d 800mm, 则可以计算出盘径 d 0.75d 600mm,叶高 h 0.3d 240mm叶长 b 0.25d 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，选取标准号为：H

11、G21518-95、公称压力 为、直径为500mm高度为393mm勺人孔，开在顶封头上，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。本次设计只设置了 1个视镜，标准号HG21505-1992直径为DN=100mr高度为52mm开在顶封头上，位于右边轴线离中心轴 500mnmt,与人孔位于同一水平线上接口管以进料口为例计算，设发酵醪液流速为v 1m/s, 2h排尽。发酵罐装料液体积：V 0 0.8 32 25.6m3物料体积流量 Q V1/2h 25.6/ 3600 20.00356m2/s ,则排料管截面积 F Q/v 0.00356/1 0.00356m2 ,又F 0.7

12、85d2,得d=,取无缝钢管，查阅资料3,平焊钢管法兰HG20593-97取公称直径80mm 80 4mm。其他管道也是如此计算。管道接口（采用法兰接口）进料口：直径角度与水平线夹角45度，开在封头上，大约人孔与视镜中间，角度垂直；排料口：80 4mm,开在罐底中间通风管旁；进气口：80 4mm,开在封头上，角度与水平线夹角 45度；排气口 ：80 4mm ,开在封头上进气口以封头跟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：80 4mm,开在罐身，角度与水平线夹角 45度；补料口：80 4mm,开在封头上，角度与水平线夹角 45度；取样口：80 4mm,开在封头

13、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），d1=20mm精度，型号：Y 250Z,开在封头上；液位计：采用标准：HG5 1368型号：R 61 直径：550（260 14）mm,开在罐身上；溶氧探头：SE N DO F; pH探头：PHS 2型；表3-1发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果罐体材料16MnR 钢由工艺条件确定焊接方式双面缝焊接由工艺条件确定6mm封头壁厚10mm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3由工艺条件确定人孔1 个，标# HG

14、21518-95根据参考文献3选取视镜1 个，标七 HG21505-1992根据参考文献3选取进、排料口直径80 4mm根据参考文献3选取进、出气口直径80 4mm根据参考文献3选取冷却水进、出口直径80 4mm由工艺条件确定补料口直径80 4mm根据参考文献3选取取样口直径80 4mm由工艺条件确定温度计装配式热电阻温度传感器Pt100D= 100mm压力表Y 250Z液位计R 61溶氧探头SE N DO FpH探头PHS 2 型第四章冷却装置设计冷却方式发酵罐容量大，罐体的比表面积小。夹套不能满足冷却要求，使用蛇管冷却，使用 水作冷却介质。装液量设计发酵罐装料系数：取80%发酵罐装料液体积

15、：V1 全体积装料系数 32 80% 25.6m3不计算下封头时的装液体积：V柱Vi下封头体积V柱 Vi-下封头体积25.6 2.5 23.1m3装液高度：h1 V柱 /ud2/423.1/ 0.785 2.624.353m单位时间传热量=发酵热X装料量即：Q Q 发 V1 16800 25.6 430080kJ/h表4-1各类发酵液的发酵热(kJ/ m3 - h)青霉素丝状菌23000青霉素球状菌13800链霉素18800四环素25100红霉素26300谷氨酸293003340011700黑曲霉16800冷却水耗量由实际情况选用进出口水温为 20c、26C,则430080Cp t2 t14.

16、18626 2017123.74582 kg / hQ单位时间传热量Cp冷却水的平均比热，取kJ/(kg C) t2-t 1 冷却水进出口温度差对数平均温度差，由工艺条件知道tF=33 C,tF t1tF t2tm tF t12.303lg tF t233 2033 26-一 m 9.69oC33 202.303lg33 26t1 冷却水进口温度t2 冷却水出口温度 tF发酵温度冷却面积QA K tm4300801.9 103 9.6923.36 m2 tm 对数平均温度差K传热总系数，取 103 kJ/(m 2 h C)冷却面积(m2)A=tt dL冷却蛇管总长度(m)A 23 36L 14

17、8.79m,取整L 150m,分为4组，每组长L0 37.5m冗 d 3.14 0.05d 蛇管内径，d =外径一壁厚取57X(径取5080mm壁厚取一5mm)每圈蛇管长度l,(Dp)2 hp2 . (3.14 3)2 0.152 9.42mD蛇管圈直径，3mhp 蛇管圈之间的距离，取每组蛇管圈数Np 5 375 4圈，则总圈数为4X4=16圈p l 9.42蛇管总高度 H Np 1 hp16 1 0.15 2.25mp p表4-2 20 m3发酵罐冷却装置设计计算结果装料系数80%由工艺条件确定装料体积计算装料高度4.353m计算总发酵热430080kJ/h计算冷却水耗量kJ/h计算冷却面积

18、计算冷却蛇管总长度150m计算冷却蛇管总高度计算蛇管组数4组由工艺条件确定每组蛇管圈数4圈计算第五章搅拌器轴功率的计算1020kg/m3 ,搅拌转速不通气条件下的轴功率R取发酵醪液黏度 1.96 10 3N s/m2 ,密度200r / min则雷诺准数200/60 0.83 1020 ° c “5z 8.8 101.96 10 3因为Re> 4000,所以发酵系统充分湍流状态，此时 X=0, Np K Rex Fg y在 全挡板条件下，液面未出现漩涡，即 y=0,则Nkk,查文献4得Np=K=鲁士顿（Rushton J. H.） 公式：33_ 52005P0Np 3LDi4.

19、81020 0.8559.42kwp60Po无通气搅拌输入的功率（W；Np功率准数，是搅拌雷诺数 ReM勺函数；圆盘六弯叶涡轮 NP=一涡轮转速（r/min ）;l液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取 800-1650 kg/m3 ；Di 涡轮直径（m;由于工业发酵罐一般在同一轴上安装很多层搅拌器又由于H=64800mm搅拌叶间距 S=1600mm得m<H/S4,取m=3Pm P0 0.4 0.6m59.42 0.4 0.6 3130.724kwm搅拌器层数。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23 0.45P C Pm Di g0.56QC系数，D/D

20、i3时，取Pm多层搅拌输入的功率（kW一涡轮转速（r/min ）,取200 r/minDi 涡轮直径（项，Q通气量（ m3/min）, 取 1 6 m3/min , 取 m3 min0.4523PmDi计算PgC 0.56 Q0.157 59.422 2 0 0 081.420.560.4545.572kW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。Pg 搅拌轴功率 耳轴封摩擦损失功率，一般为i%PgT传动机构效率根据生产需要选择三角皮带电机。三角皮带的效率是,滚动轴承的效率是，滑动轴承的效率是，端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的1%,则电机的功率Pg PT 49.85P 1 1%51.57kw0.92 0.99 0.98搅拌轴直径d A (P/n)"3,n为转速(单位为转/分)，系数A可以取97-149 ,取 A 100,一一. 51 57 13 已知 P 51.57kw,n 200r/min,则得d 100 :63.64mm,根据文200献选轴径为85mm表4