空气预处理与除菌系统的设计

1、 学号: 课 程 设 计设计课程名称： 发酵工程课程设计 题 目： 220 m3/min空气预处理与除菌系统的设计 学 生 姓 名： 学 院（系）： 制药与生命科学学院 专 业 班 级： 生工101 指 导 教 师： 王利群 专业技术职务： 副教授 设计时间：2013 年 12 月 16 日 2013 年 12 月 27 日发酵工程课程设计任务书 制药与生命科学 学院 生物工程 专业 101 班 同学：现下达给你们毕业设计任务如下，要求你们在预定时间内完成此项任务。一、设计题目： 220 m3/min空气预处理与除菌系统的设计二、设计主要内容： 1、针对产品的要求进行工艺流程的设计； 2、工艺

2、计算； 3、设备的计算和选型；4、绘制带控制点工艺流程图（3号图纸）。三、生产条件（包括年操作日、生产方式及其它限制性条件）发酵车间有100m3发酵罐3个，10m3种子罐3个，1 m3种子罐3个，装料系数都为75%，发酵工艺规定发酵罐通气量为0.7VVM（标准状态），种子罐通气量为1.0VVM。工厂所在位置空气的平均温度为17，平均相对湿度为76%。年操作日300天，生产方式：连续生产。生产裕度为20%。水蒸气138，冷却水进出口温度根据实际情况确定。四、设计中主要参考资料（包括参考书、资料、规范、标准等）1、 国家医药管理局上海医药设计院编. 化工工艺设计手册（第二版）(M).北京：化学工业

3、出版社，19962、 沈自法，唐孝宣编.发酵工厂工艺设计(M).上海：华东理工大学出版社，20043、 陈国豪主编.生物工程设备（M）.北京：化学工业出版社，20074、 梁世中主编.生物工程设备（M）.北京：化学工业出版社，20025、 陈敏恒等编.化工原理（M）.北京：化学工业出版社，2004目录1、概述21.1 L-丝氨酸产品描述21.2 L-丝氨酸国内外生产情况31.3 L-丝氨酸的用途3 1.3.1 在医药方面的应用4 1.3.2 在食品方面的应用4 1.3.3 在化妆品方面的应用41.4 设计依据及指导思想41.5 L-丝氨酸的发展前景52、原材料及产品的主要技术规格52.1 原材

4、料52.2 产品的主要技术规格53、生产流程简述54、工艺计算54.1 空气用量54.2 压缩空气的温度54.3 空气冷却器的传热量74.4 空气加热器的传热量85、设备的计算和选型95.1 空气预处理系统计算与设计9 5.1.1 吸风塔9 5.1.2 前置过滤器9 5.1.3 空气压缩机9 5.1.4 压缩空气贮罐10 5.1.5 空气冷却器10 5.1.6 水滴分离设备10 5.1.6.2旋风分离器10 5.1.6.2丝网除沫器11 5.1.7 空气加热器115.2 空气除菌设备计算与设计12 5.2.1 空气总过滤器的计算及设计12 5.2.2 100m3发酵罐的空气分过滤系统设备的计算

5、及设计12 5.2.3 10m3种子罐的空气分过滤系统设备的计算及设计13 5.2.4 1m3种子罐的空气分过滤系统设备的计算及设计146、总结147、致谢158、参考文献16220m3/min空气预处理与除菌系统的设计说明书1、概述1.1 L-丝氨酸产品描述分子式：C3H7NO3；结构式：CH2OHCH(NH2)COOH；分子量：105.09；呈白色结晶体或结晶粉末，味微甜，易溶于水和甲酸，不溶于乙醇和乙醚。丝氨酸是一种非必需氨基酸，它在脂肪和脂肪酸的新陈代谢及肌肉的生长中发挥着作用，因为它有助于免疫血球素和抗体的产生，维持健康的免疫系统也需要丝氨酸。丝氨酸在细胞膜的制造加工、肌肉组织和包围

6、神经细胞的鞘的合成中都发挥着作用。丝氨酸可以从大豆、酿酒发酵剂、乳制品、鸡蛋、鱼、乳白蛋白、豆荚、肉、坚果、海鲜、种子、大豆、乳清和全麦获取。L-丝氨酸处于氨基酸代谢的中间位置，参与许多生物物质(如甘氨酸、蛋氨酸、嘌吟等)的合成，代谢运转速度极快。因此，与其它类氨基酸相比，L-丝氨酸的直接发酵法生产十分困难。1.2 L-丝氨酸国内外生产情况丝氨酸是工业生产难度较大的氨基酸之一，因价格昂贵，而成为各国氨基酸行业研究的重点。目前，世界生产产丝氨酸的厂家主要是日本味之素，田道制药公司，德国Degussa公司和我国的八峰药化公司。由湖北省八峰药化股份有限公司独立承担的湖北省“十五”重大科技攻关课题生物

7、转化生产L-丝氨酸工业化中间试验的成果通过湖北省科技厅主持的科技成果鉴定。鉴定组专家一致认为，生物转化生产L-丝氨酸技术的突出进展在于：构建的工程菌带有传代稳定性基因以及经诱变而获得了无SD活性的菌株。这一成果属国际领先水平。中间试验的几项主要工艺指标，如底物浓度、转化率、产品收率等，也均高于国内外的现有水平，生产工艺稳定，产品结构经验证与国家标准品一致，产品质量符合中华人民共和国药典标准。其中试研究成果在技术水平和规模上达到了国际领先水平，届时将彻底解决丝氨酸国产化供应问题，国外最早用生丝微菌属静息细胞生产L-丝氨酸。Yoshida，T.，Mitsunaga，T.，等考察了26 株甲基营养型

8、细菌静息细胞以甲醇和甘氨酸为底物生产L-丝氨酸的能力。有七株菌的生产能力超过500mg/ml。其中NCIB10099 生产能力最强。1.3 L-丝氨酸的用途主要用于氨基酸输液，因有特殊润湿性，也用于雪花膏、化妆品中。丝氨酸是一种非必需氨基酸，它在脂肪和脂肪酸的新陈代谢及肌肉的生长中发挥着作用，因为它有助于免疫血球素和抗体的产生，维持健康的免疫系统也需要丝氨酸。丝氨酸在细胞膜的制造加工、肌肉组织和包围神经细胞的鞘的合成中都发挥着作用,也是一种重要的生化试剂和药剂，在氨基酸输液和氨基酸胶囊以及多肽合成等方面发展迅速。常用于组织培养基的制备，医药上用作氨基酸类营养药。作生化试剂和食品添加剂，营养增补

9、剂，在化妆品中作为皮肤营养添加剂，可供生物化学和营养学研究之用，也可作为合成环丝氨酸的原料。1.3.1 在医药方面的应用广泛用于配置第三代复方氨基酸输液和营养增补剂，适合一般营养疗法的氨基酸混合液中L-丝氨酸的含量为1.68g/L，适合于肝损伤患者的氨基酸混合液中L-丝氨酸的含量为5.00g/L具有稳定滴眼液pH的作用，且滴眼后无刺激用于合成多种丝氨基酸衍生物如：-取代丝氨酸、磷脂酰丝氨酸，环丝氨酸，（s）-异丝氨酸和偶氮丝氨酸等。这些衍生物用于抗癌、抗艾滋病新药及基因工程用保护氨基酸等。在疾病的治疗和生理功能的调节等方面都有重要作用。1.3.2 在食品方面的应用食品加热时所产生的香气主要来自

10、氨基酸和糖反应生成的分解产物，此过程涉及到食品非酶褐变过程的美拉德反应和斯特勒克降解反应。将一份L-丝氨酸和一份葡萄糖所组成的混合物在100下加热，通过斯特勒克降解反应生成2-羟基乙醛，使混合物具有枫糖浆的香味特征。1.3.3 在化妆品方面的应用L-丝氨酸是重要的自然保湿因子(NMF)之一，与磷脂类化合物可制取质体或与其他物质相辅具有美肤作用。它可增加表皮细胞活力和保湿，延缓皮肤衰老，是皮肤角质层保持水分的主要角色。它还具有抗菌、缓冲和表面活性剂的保护作用，以及有利于某些机体的生理作用给。它能改变皮肤弹性，强化营养、维持表层细胞的活力。将L-丝氨酸于谷氨酸、蛋氨酸等加入洗发剂中，起到防止头屑生

11、成的作用。1.4 设计依据及指导思想（1）依据与工厂设计和生产工艺相关的各种资料。如化工工艺设计手册（2）GB/T501032001总图制图标准（3）GB5018793工业企业总平面设计规范（4）化工原理（5）生物工艺原理（6）生物工程设备发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发酵工程的上游、中游和下游工程。发酵工程的三个阶段均分别有它们各自的工艺原理和设备及过程控制原理，它们一起构成发酵工程原理。1.5 L-丝氨酸的发展前

12、景我国L-丝氨酸市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励L-丝氨酸产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者对L-丝氨酸市场的关注越来越密切，这使得L-丝氨酸市场越来越受到各方的关注。L-丝氨酸发酵法生产的研究报告主要集中于利用添加前体物发酵生产L-丝氨酸，甘油酸盐(或酯)、甘油酸三甲内盐、甘氨酸被研究认为是合成L_丝氨酸最有前景的前体物。丝氨酸的衍生物也具有优良的药用和生物活性， 如-取代丝氨酸被应用于设计肽， 而且是免疫抑制剂ISP（多球壳菌素 Myriocin， 嗜热菌杀酵母素 Thermozymocidi

13、n）和免疫激活剂， 神经鞘真菌素E等生物活性物质的有效组成部分；L-丝氨酸的磷酸脂具有解除疲劳， 恢复体力等功效偶氮丝氨酸常用于治疗肿瘤。2、原材料及产品的主要技术规格2.1 原材料平均温度为17、相对湿度为76%的空气2.2 产品的主要技术规格产品：无菌、相对湿度60%的空气3、生产流程简述通入发酵罐前的空气根据需求在压缩机压缩空气后进行冷却去水加热过滤的预处理4、工艺计算4.1 空气用量发酵车间需要最大压缩空气用量为V=（100×0.75×0.7×3+10×0.75×1×3+1×0.75×3

14、）×1.2=218.7m3/min4.2 压缩空气的温度以实际生产中空压机空气中的压强为表压0.2MPat2=373.7-273=100.7压缩空气的温度为100.7因此压缩机输出的高温压缩空气必须进行适当冷却，再进入总过滤器进行除菌处理压缩空气的除水由任务书可知，空气的平均温度为17查表得，空气温度为17时，ps1=1938Pa.当压缩到0.2MPa时，实际生产过程中的温度为120查表得，空气温度为120时，ps2=198653Pa，1=75%此时的压缩空气相对湿度为据记载，只有当压缩空气的相对湿度60%，空气通过高效过滤方能达到过滤的期望值，因此，压缩空气相对湿度为2.5%60%

15、可行.当空气冷却到露点温度，即3=100%查表得，ps3=4370.366Pa时，温度为30.5即冷却到30.5时，开始有水生成.考虑实际生产中情况及设备所能达到的极限，以压缩空气冷却到25为例。计算湿含量查表得，温度为25时，ps=3167.689Pa=3.1677kPa.计算每千克干空气析出水每千克空气析出水量为 4.3 空气冷却器的传热量冷却时（逆流冷却），空气温度由12030.5，冷却水温度由1737空气在状态1时：4.4 空气加热器的传热量加热时，空气温度由30.545，加热蒸汽温度由保持138不变，压强不变对于30.5的空气，由之前计算可知：5、设备的计算和选型5.1 空气预处理系

16、统计算与设计5.1.1 吸风塔空气压缩机车间要建在厂区的上风向外，还要求吸风塔的高度大于10m。为了防止雨水灌入，顶部设计有防雨罩。吸风塔内的空气流速不能太快，不然噪声过大，一般空气在吸风塔的界面流速设计<8m/s。本设计选用：吸风塔高度H=15m。空气在吸风塔的界面流速v=6m/s。所以吸风塔规格为D1.56m×H15m5.1.2 前置过滤器通常采用无纺布作为过滤介质。空气在前置预过滤中流速不能过快，否则噪声很大。粗过滤空气流速控制在小于等于0.5m/s，亚高效过滤层控制在0.20.5m/s。本设计选取管径流速v=0.4m/s 空气过滤的进气口直径一般情况下与出去口直径相等，

17、也可大于出气口直径，本设计选用5.1.3 空气压缩机根据全场发酵工艺所需的空气流量、克服压缩空气输送过程的阻力和克服发酵罐的液柱高度所需的压强过来选用空气压缩机型号。因此，本设计选用3L-20/3型空气压缩机6台。排气量为20m3/min，二级压缩改成以及压缩并把二级压缩缸换成一级压缩缸一样大小，电机功率保持不变，则吸空气量可变为40m3/min，最终排气压力为0.3MPa5.1.4 压缩空气贮罐根据经验公式估算，贮罐容积可取V=10%15%的空压机每分钟的吸气量（m3），本设计中取V=10%的空压机每分钟的吸气量（m3）。V=220×10%=22m3，贮罐的设计H/D=2.22.5

18、，取H/D=2.5所以压缩空气贮罐规格为D3.28m×H8.2m5.1.5 空气冷却器根据步骤4.3 空气冷却器计算的传热量冷却时（逆流冷却），当空气温度由12030.5，冷却水由1737时，因此，本设计选用BFM DN800mm-3-145m2-4m/25mm-6I5.1.6 水滴分离设备5.1.6.2旋风分离器5.1.6.2丝网除沫器5.1.7 空气加热器根据步骤4.4 空气加热器计算的传热量因此，本设计选用BFM DN273-0.88-3.5m2-1.5m/25mm-2II5.2 空气除菌设备计算与设计5.2.1 空气总过滤器的计算及设计设发酵车间需要最大压缩空气用量V=（10

19、0×0.75×0.7×3+10×0.75×1×3+1×0.75×3）×1.2=218.7m3/min根据陈国豪主编生物工程设备P27表2-2，本设计选用YUD-2-4型空气总过滤器2台（其中1台备用）总过滤器1台滤芯配置 规格为Ø350mm×1000mm/4芯 D=Ø1200mmD=DN200350mm H=3035mm5.2.2 100m3发酵罐的空气分过滤系统设备的计算及设计 确定发酵时间为14h，则通气工作时间亦为14h根据发酵工艺每个100m3发酵罐最大空气用量Vf=

20、100×0.7×1=70m3/min由于100m3发酵罐的工作容量在70%75%，因此空气的用量已经含有安全系数单罐年用气量为Va=Vf×300×14×60=70×300×14×60=17640000m3/年查陈国豪主编生物工程设备P29表2-3，JPF型空气用量过滤器的规格型号本设计选用JPF-60型空气用量过滤器1台，规格为Ø350mm×1303mm过滤器配滤芯JPF-A或JPF-C型号12支，滤芯长20in（1in=0.0254m，下同）空气预过滤器选型根据已选JPF-60型空气用量过滤器

21、，空气通量60m3/min。查陈国豪主编生物工程设备P31表2-5，JLS-YUD空气预过滤器规格型号本设计选用JLS-YUD-60空气预过滤器1台，规格为Ø450mm（D）×1655（H）mm，并配置DGF规格为Ø350mm×830mm的滤芯蒸汽过滤器选型根据已选JPF-60型空气膜过滤器，查陈国豪主编生物工程设备P32表2-6，JLS-F蒸汽过滤器的规格型号本设计选用JLS-F-1型蒸汽过滤器1台，规格为Ø164mm×591mm，配置JLS-F滤芯13支，规格为Ø22mm×260mm5.2.3 10m3种子罐的

22、空气分过滤系统设备的计算及设计确定发酵时间为14h，则通气工作时间亦为14h根据发酵工艺每个10m³种子罐最大空气用量为 Vf种=10×1×1=10m3/min由于10m³种子罐的工作容积在75%，因此空气的用量已经含有安全系数单罐年空气用量为 Va种=Vf种×300×14×60=10×300×14×60=2520000m3/年查陈国豪主编生物工程设备P29表2-3，JPF型空气膜过滤器的规格型号本设计选用JPF-10空气膜过滤器1台，规格为Ø180mm×1046mm，过滤器

23、配滤芯JPF-A或JPF-C型号3支，滤芯长20in空气预过滤器选型根据已选JPF-10型空气膜过滤器，空气通量为7.5m³/min，查陈国豪主编生物工程设备P31表2-5，JLS-YUD空气预过滤器规格型号本设计选用JLS-YUD-10空气预过滤器1台，规格为Ø230mm×965mm，并配置DGF规格为Ø200mm×330mm的滤芯蒸汽过滤器选型根据已选JPF-10型空气膜过滤器，查陈国豪主编生物工程设备P32表2-6，JLS-F蒸汽过滤器的规格型号本设计选用JLS-F-035型蒸汽过滤器1台，规格为Ø89mm×522mm

24、，配置JLS-F滤芯3支，规格为Ø22mm×260mm5.2.4 1m3种子罐的空气分过滤系统设备的计算及设计确定发酵时间为14h，则通气工作时间亦为14h根据发酵工艺每个1m³种子罐最大空气用量为 Vf种=1×1×1=1m3/min由于1m³种子罐的工作容积在75%，因此空气的用量已经含有安全系数单罐年空气用量为 Va种=Vf种×300×14×60=1×300×14×60=252000m3/min查陈国豪主编生物工程设备P29表2-3，JPF型空气膜过滤器的规格型号本设计选

25、用JPF-2型空气膜过滤器1台，规格为Ø110mm×549mm，配JPF-A或JPF-C型号滤芯1支，滤芯长10in空气预过滤器选型根据已选JPF-2型空气预过滤器，空气通量为0.75m³/min，查陈国豪主编生物工程设备P31表2-5，JLS-YUD空气预过滤器的规格型号本设计选用JLS-YUD-1空气预过滤器，规格为Ø230mm×965mm，并配置DGF规格为Ø200mm×330mm的滤芯蒸汽过滤器选型根据已选JPF-2型空气膜过滤器，查陈国豪主编生物工程设备P32表2-6，JLS-F型蒸汽过滤器的规格型号本设计选用JL

26、S-F-010型蒸汽过滤器1台，规格为Ø89mm×402mm，配置JLS-F滤芯3支，规格为Ø22mm×150mm6、总结 吸风塔规格：D1.56m×H15m。 空气压缩机：3L-20/3型，6台。 压缩空气贮罐规格：D3.28m×H8.2m。 空气冷却器：BFM DN800mm-3-145m2-4m/25mm-6I 空气加热器：BFM DN273-0.88-3.5m2-1.5m/25mm-2II 100m³发酵罐的空气分过滤系统设备的选型有:JPF-60型空气膜过滤器1台，规格为Ø350mm×1303mm，配滤芯JPF-A或JPF-C型号12支，滤芯长20inJLS-YUD-60空气预过滤器1台，规格为Ø450mm×1655mm，并配置DGF规格为Ø350mm×830mm的滤芯JLS-F-1型蒸汽过滤器1台，规格为Ø164mm×591mm，配置JLS-F滤芯13支，规格为Ø22