2m3谷氨酸发酵罐设计

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产谷氨酸发醉罐的设计专业班级2009级生物工程（1）班学号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1谷氨酸的生产工艺流程1生产原料1发酵菌株1培养基的制备2二、发酵罐主体设计计算2发酵罐主要条件及主要技术指标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3发酵罐的选型3发酵罐容积的确定3发酵罐装液量的确定3冷却装置的设计3罐体选料4罐体壁厚4封头壁厚计算5夹套直径5挡板的设计5搅拌器的设计5搅拌器的计算5搅拌轴功率的计算6管道设计8通风管管径计算8进出物料管8冷却水进出口管径8管道

2、接口8仪表接口8三、其他附件选型9四、附录及图纸10附录1计算结果汇总表10附录2计算结果汇总表10五、总结11六、参考文献及资料12一、设计方案的确定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；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：图1谷氨酸生产工艺流程图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

3、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。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）纯齿棒状杆菌及其诱变株B9、B9-17-3&F-263等菌株；（2）天津短杆菌T613及其诱变株FM-415、CMTC6282S9114等菌株；（3）北京棒杆菌及其诱变株D110等菌株。本实验选择北京棒杆菌。培养基的制备培养过程：斜面培养.二级种子培养一级种子

4、培养，独孝罐(1)斜面培养基：葡萄糖、牛肉膏%蛋白陈、氯化钠、琼脂、。(2)一级种子培养基：葡萄糖%、尿素、KH2PO4%MgSQ?7H2O%玉米浆、。(3)二级种子培养基：水解糖1214%尿素%、玉米浆、KH2PC4。%MgSC4?7H2O%(4)发酵培养基：水解糖1214尿素%玉米浆、MgSQ?7H2O%KCl%NazHPQ%、二、发酵罐主体设计计算发酵罐主要条件及主要技术指标根据常识，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

5、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由任务书确定设计压力由任务书确定发酵温度(工作温度)32C根据任务书选取设计温度150c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发酵液黏度1080kg/m3H0H2Hf27506002150mm2.0103Ns/m2由工艺条件确定由工艺条件确定罐体选型、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21选用机械搅拌通风发酵施7dH02(hb6D)2.2

6、.2 发酵罐容积的确定21根据工艺参数和高径比确&皆称岫寸2椭256H1D=!则h=初步选用公称容积为2n23战|他。公称体积V-罐的筒身(圆柱)体积和底封头体积之和全体积V。-公称体积和上封头体积之和。封头体积设H0/D2,根据设计条件发酵罐的公称体积为2m3;罐体直径D=,取整为1100mm；罐体总高度H=x1100mm=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,直边高度hb=25mm,总深度为Hf=300mm,内表面积S封1.398m2,容积Vf0.198m3。则此时H0/D2150/11001.9546,与前面的假设相近，故可

7、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23设计发酵罐装料累数厂取H70吐D发酵罐装料液体积：424用土称容积煤料系数=2X70%m3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I发酵产生的总热量：n夹套传热系数：20-K4.18150250kJ/mhC现取K=X羽0kJ/Vm2h%)L4-0198127mm平均温差0发酵S度t=32-785灰衲轴2023C,取ti=23C；水终温t2=27C,则平均温差：HlH封H030012701570mmS夹S筒S封DH0S封3.141.11.271.3985.78m2IV需冷却面积F:V核算夹套冷却面积：

8、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=该设计夹套育果供眇却厚军110S%m23s修mm可满足工艺要求。罐体选料2tm2（t70t1超与型.考虑压力，温度，腐蚀因素，l选扁麻材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式。因糖化酶是偏酸性（pH值为）鼠3罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和圭头都使用16MnRln一3227体连接。2.4.1罐体壁厚钢为材料，封头设计32遥3磁囹留因D>500mm,所以采用双面缝焊

9、接的方式与罐对于带夹套的容器，6点修按外牙容器计算壁厚。考虑到冷却水压力与容器内压力又不同时存在的情况，取水压作为容器外压S=fQ总3.51056整5mm。Ktm4.182206.8D罐体直径（mm）P耐受压强（取小-焊缝系数，双面焊取6一设计温度下的许用应力（kg?f/（m2）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150C,170MPa)C腐蚀未&度，CCiC2C3PDy0.411002.3式中G3成现了杼0083°72mmC2为余量，现取C2=2mmC3加工减薄量，现取C3=2.4.2封头壁厚计算,取整为7mmD罐体直径（mm）;bP耐受压强（取；y开孔系数，取；（K碎缝娥

10、，双面焊取；,170MPa)。6+设计温度下的许用应D（16MnR钢焊接压力容器许用应力为2.4.3夹套直径夹套直径与筒体直径的关系为：D夹D1001200mm挡板的设计根据全挡板条件：式中B挡板宽度B=x1100=110（mm）D罐径D=1100mmZ挡板数：D1100再取Z=6块。搅拌器而设05B0.5而5采用六弯叶涡轮式搅拌器。2.6.1搅拌器的诂算0.3Dj0.3360108mm直径：Di1/3D1/31100360mmL0.25Di0.2536090mm叶片宽度：r0.375Di0.375360135mm弧长：盘径：di0.75Di0.75360270mm叶弦长：Y3DiD1100m

11、m搅拌器间距：CDi360mm底距：表22m取两档搅拌，搅拌器转速N2,根据50m3罐，110r/min,搅拌器直径Di=,使用P0/V为基准缩小，求得：2/3Di2.6.2搅拌轴功率的计算N2NiD-通风搅拌发酵罐搅拌轴功率的计算有很多可3方法，现在用迈凯尔式求搅拌轴功率，并由此选择电机。11n10502/110-淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视犯6颂流体，计算步骤如下：I计算Rem式中：D搅拌器直径，D=N搅拌器转速，P-醪液密度，p=1080kg/m-醪液粘度，仙=2x1331s/m2将数代入上式：D2N视为湍流，则搅拌擀m®«TN=,根据参考文献网得。n计算不通气时的

12、搅拌轴功率3P0NPN3Dip60式中：Np-在湍流搅拌状态时其值为常数发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果公称体积（m）2全体积（m3）罐体直径（mm）1100发酵罐总高（mm）2750发酵罐筒体高度（mm）2150搅拌叶直径（mm）360椭圆封头短半轴长（mm）275椭圆封头直边高度（mm）25底搅拌叶至封头高（mm）360搅拌叶问距（mm）1100计算算算算算算算算算设计计计计计计计计计224r/min两挡搅拌Po2Po21.63.2kWin通气搅拌功率Pg的计算式中：Po多层搅拌输入的功率（kW）N搅拌转速（r/min）,取224r/minDi搅拌器直径（m）,Q通风量（ml/min）

13、,设通风比VVn=,现取;则：Q=x=(m3/min)故：Pg2.25P1032.2510-24.r33P0NDif3Po2ND.32(25Qro)(POQND)0-393.222243.630.39(ccl-0.08)0.252IV求电机功率.21kW采用三角带传动印=;滚动轴承4=,滑动轴承甲=;端面密封增加功率为1%;代入公式数值得：搅拌轴直径dA（Pn）1/3,n为转速（单位为转/分），系数A可以取97-149,取A120,已知P0.24kW,n224r/min,则得cPg.2根据文献选轴靡为0mmo1.01123表3发酵罐搅拌功率的设计计算结果项目及代号iiiE不通气条件审酌车帙手两

14、层搅拌器轴率通气量通气搅拌功率参数及结果021224r/min1.010.24kW0.990.98min备注计算计算由工艺条件确定计算计算根据参考文献7选取电机的功率.一一3一。243一一电机的选择dA（P/n）120型芯y80M112.28mm功奉2转速2825r/min效率75%轴径V物1.1712dmm32根据参考文献7选取传动装置FV角状正10m根据参考文献7选取2普肾管管尚高5电0.039m设罐压，发酵温度t=32C,风速v=20m/s,通风量为，常压下to=2OC,送风量V为:333V1.40.180.252m/min4.210m/s4,将通风换算成工作状态，泉通风臂道彳和咐仆cw

15、4.18kJ/kgC一一_4WQ3.510Cwtt24.1827232093kg/h0.5815m3/s,取整9mmo采用无缝钢管，管径12全中0为9mm,可满足生产要求。2.7.2进出物料管d00.58150.43m该管为物料进口，按输送物法78520min送完物料，则物料流量为管道截面为F,物料流速为v=1m/s,现取v=1m/s,则:管径为:采用无缝钢管，管径采用48X4mm内径40mm大于39mm,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V0.1273区却水温变化23C27c,水比热容:,则楮小牛W为273t°10.785v60取水流速v=4m/s；30.

16、1303则冷却余29口由於加310.78520608.3103m2.7.4管道接口（采用法兰接口）进料口：直径48X4mm开在封头上；排料口：48x4mm开在罐底；进气口：12开在封不上；1.41.17103m3/s排气口：12、开在封实上;2060冷却水进、出口：43mm,开在夹套上；补料口：48X4mm开在封头上；取样口：48X4mm开在封头上。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，型号：Y-250乙开在封头上;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

17、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，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-m6T(S)GB8070-1987,公称直径270。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。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

18、孔，标准号为：手孔FS(A-XB350)HG/T21535-2005,公称直径250,开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴150mm处。视镜HG51368视镜用于观察发SE罐NIFDO情F。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IIDN80HGJ501-86-14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。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

19、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。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四、附录及图纸附录1计算结果汇总表结果实际全容积（V）m3罐体直往（D）m直筒高（H0）m封头直边高度（hb）25mm封头椭圆短半轴长度（ha）275mm总热负荷（Q总）X10kJ/h装料量（Vl）m3装料高度（Hl）m所需传热回积（F）m2实际传热回积（F实际）m2耗水量（W）2093kg/h25c水的比热（G）kJ/(kg

20、C)25c水的密度（p水）1kg/m3搅拌器叶径（Di）360mm(di)108mm底距（C）360mm叶距（Y）m搅拌器转速（N）224r/min雷诺数（R）X10功率准数（Np）单层搅拌功率（田）1600W两层搅拌功率（自）3200W通风量（Q）m3/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（8）7mm焊接方式罐体筒壁厚封头壁厚搅拌器类型搅拌叶直径搅拌器层数手孔视镜进、排料口直径进、出气口直径冷却水进、出口直径补料口直径取样口直径温度计支座压力表液位计溶氧探头pH探头双面缝焊接5mm7mm六弯叶涡轮式搅拌器360mm21个，标准号HG/T215

21、35-20052个,标准号HGJ501-86-1448X4mm12X43mm48X4mm48X4mm装配式热电阻温度传感型支撑式支座Y250ZR61SEN-DO-FpHs2型由工艺条件确定计算计算根据参考文献选取计算由工艺条件确定根据参考文献5选取根据参考文献5选取算算算算算计计计计计Pt100根据参考文献6选取根据参考文献6选取根据参考文献6选取根据参考文献6选取根据参考文献6选取根据参考文献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