2m3谷氨酸发酵罐设计

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产谷氨酸发酵罐的设计专业班级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、B9-17-36、F-263等菌株;（2）天津短杆菌T613及其诱变株FM-415、CMTC6282、S9114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 _一级种子培养二级种子培养生酵罐（1）斜面培养基：葡萄糖％、牛肉膏％、蛋白胨％、氯化钠％、琼脂％、~。（2）一级种子培养基：葡萄糖％、尿素％、KH2PO4%、MgSO4・7H2O%、玉米浆~、。（3）二级种子培养基：水解糖12~14%、尿素~%、玉米浆~、KH2PO4~%、MgSO4・7H2O%、。（4）发酵培养基：水解糖12~14、尿素~%、玉米浆、MgSO4・7H2O%、KCl%、Na2HpO4%、。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：①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；②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；③在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；④有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度；⑤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）32℃根据任务书选取设计温度1500c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发酵液密度发酵液黏度由工艺条件确定由工艺条件确定p=1080kg/m3H=H—2H=2750—600=2150mm日=2.0x10-3N-s/m2罐体选型、几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸的设计计算发酵罐的选型—兀 1选用机械搅拌通风发酵罐4D2[H0+2(hb+6D)]发酵罐容积的确舄 1根据工艺参数和高径比确定害部几何尺寸(0高的6首/D=，则h=初步选用公称容积为邵341罐。公称体积V一罐的筒身(圆柱)体积和底封头体积之和全体积V0一公称体积和上封头体积之和。封头体积设H0/D=2，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==xl100mm=2750mm；查阅文献⑸，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V=0.198m3。则此时H0/D=2150/1100=1.9546，与前面的假设相近，故可认为D=1100mm是合适的。发酵罐的全体积：发酵罐装液量的确定兀设计发酵罐装料V唠D2H70%24D3发酵罐装料液体积：4 24v0公称容积x装料系数=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：Q总=4.18x6000x2x70%=3.5x104(kJ/h)

口夹套传热系数：K=4.18x（150~250-J/（n2・h•℃）现取K=x22HkJ/:%2不℃）=L4-0/98=127（m）田平均温急发酵温度t=32℃85水初温20~23℃,取t=23℃；水终温t=27℃,则罐 12平均温差：HL=H封+H0=300+1270=1570mmIV需冷却面积F筒封0封S=S+S=kDH+S=3.14x1.1x1.27+1.398=IV需冷却面积F筒封0封V核算夹套冷却面积：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=该设计夹套能提供的冷却面积为00高呼3_46>mm可满足工艺要求。罐体选料2g〕5At天U0X08E042 .考虑压力，温度，腐蚀因素m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）t对t罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用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。 1n32-232.4.1罐体壁厚 32—27对于带夹套的容器，6应该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= =F=Qq= 3.5x104 =56n取整5mm。KAt 4.18x220x6.8 ,D—罐体直径（mm）P一耐受压强（取小一焊缝系数，双面焊取［。］一设计温度下的许用应力（kgf/cm2）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃,170MPa)C一腐蚀裕度，C=C170MPa)C一腐蚀裕度，C=C+C+C式中C1—SC3—PDy1 20.4X31100x2.3偏差，现取C0x0.8为腐蚀余量，现取C2=2mm加工减薄量，现取C3=2.4.2封头壁厚计算+3=6.72mm，取整为7mm。D一罐体直径（mm）；BP一耐受压强（取；y—开孔系数，取； 策焊缝系5数，双面焊取；［。］—设计温度下的许用应D力（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃,170MPa）。2.4.3夹套直径夹套直径与筒体直径的关系为：D夹=D+100=1200mm挡板的设计根据全挡板条件：式中B一挡板宽度B==xll00=ll0（mm）D一罐径D=1100mmZ—挡板数：D1100块取Z=6块。搅拌器的设计B=0.5H0=5采用六弯叶涡轮式搅拌器。搅拌器的feh算0.3D=0.3x360=108mmi直径：Di=1/3D=1/3x1100=360mmL=0.25Di=0.25x360=90mm叶片宽度：r=0.375D=0.375x360=135mm弧长： i盘径：di=0.75Di=0.75x360=270mm盘径：叶弦长： Y=3Di=D=1100mm搅拌器间距：C=Di=360mm底距：

表22m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积（m3）2设计条件全体积（m3）计算罐体直径（mm）1100计算发酵罐总高（mm）2750计算发酵罐筒体高度（mm）2150计算搅拌叶直径（mm）360计算椭圆封头短半轴长（mm）275计算椭圆封头直边高度（mm）25计算底搅拌叶至封头高（mm）360计算搅拌叶间距（mm）1100计算取两档搅拌，搅拌器转速N2,根据50m3罐，110r/min,搅拌器直径D『，使用P0/V为基准缩小，求得：/D12乃搅拌轴功率的计算N2=N1D1通风搅拌发酵罐搅拌轴功率的计算有很多种方法，现在用迈凯尔式求搅拌轴功率，并由此选择电机。 :11011050丫/3淀粉水解糖液低浓度细菌醪可视为牛顿流体，计算步骤如下：I计算Rem =224（r/min）式中：D——搅拌器直径，D=N——搅拌器转速，p 醪液密度，p=1080kg/m3H——醪液粘度，H=2xl0-3N・s/m2将数代入上式：R_D2Np则搅拌功率准啊=，根据参考文献［8］得。n二n二224二3.73（r/s）P0=NPN3DP式中：Np——在湍流搅拌状态时其值为常数N 搅拌转速，N=sDi一一搅拌器直径2/D=3x1080p一一醪液密度,p=x180kg/m3二代6入上式404P0=4.7x3.733x0.365x1080=1.60kW两挡搅拌P0=2P0=2x1.6=3.2kWIII通气搅拌功率Pg的计算式中：P0—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）,设通风比VVm=~,现取；则：Q=x=（m3/min）故：P2ND3Pg=2.382（2法师X0（P”0.39g Q0.083.22x224x3.63=2.25x10-3x（ ）0.390.2520.08W求电机功率2氏亚采用三角带传动门1=；滚动轴承n广，滑动轴承n3=；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：搅拌轴直径d=Ax（Pn）1/3,n为转速（单位为转/分），系数A可以取97-149,取A=120,已知P=0.24kW,n=224口min，则得表3发酵罐搅拌功率的设计计算结果项目及代号转速不通气条件下的轴功两层搅拌器轴率0.92项目及代号转速不通气条件下的轴功两层搅拌器轴率0.92通气量通气搅拌功率参数及结果021224r/min率 x1.0180.24（kW）率0.99x0.98min备注计算计算计算由工艺条件确定计算计算根据参考文献［7］计算根据参考文献［7］选取电机的选择d=Ax（P/n）13=120型号永）0M112.28mm功率转速2825r/min效率75%

轴径传动装置1.17x12-3轴径传动装置三角皮管道设计 J ''—F— ,11.17X10-3管道设计d=' =1， =0.039m2.7.1通风管管径计算0.785 0.785设罐压，发酵温度t=32℃,风速v=20m/s,通风量为，常压下t0=20℃,送风量V为:V=1.4x0.18=0.252(n3/min)=4.2x10-3m3/s将通风换算成工作状态，Q求通风管直观1/hc=4.18kJ/(kg•℃)W=—^Q\=—3.5:104-\二2093kg/h=0.5815m3/sc(tj-tJ4.18x(27-23)，取整9mm。采用无缝钢管，管径①12a58%径为9mm，可满足生产要求。进出物料管d=:0.5815=0.43(m)该管为物料进口，按输送物料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①48x4mm，内径40mm大于39mm，可满足生产要求。冷却水进出口管径由前知需冷却热量 ：Vx01x2734冷却水温变化23℃~27℃，水比热容：，则耗水:量W为：2734t0100.785XvX60二cs__0.1303取水流速v=4m/s；则冷却水管进出口但二8.3X10-3(取水流速v=4m/s；0.785x20x602.7.4管道接口(采用法兰接口)进料口：直径①48x4mm，开在封头上；排料口：①48x4mm，开在罐底；进气口：①12x，开在封头上；1.4=1.17x10-3m3/s排气口：①12x，开在封头上20X60冷却水进、出口：①43mm，开在夹套上；补料口：①48x4mm，开在封头上；取样口：①48x4mm，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-250Z,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：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。⑷视镜 HG5-1368视镜用于观察发酵罐内部测情况。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，标记为视镜口DN80HGJ501-86-14。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。

四、附录及图纸附录1计算结果汇总表项目结果单位实际全容积（V）m3罐体直径（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）X104kJ/h装料量（VL）总m3装料高度（HL）m所需传热面积行）m2实际传热面积行）m2耗水量（W） 实际2093kg/h25℃水的比热（Cp）kJ/(kg・℃)25℃水的密度Ip。）1kg/m3搅拌器叶径（Di）水360mm叶宽（di）108mm底距（C）360mm叶距（Y）m搅拌器转速（N）224r/min雷诺数（Re）X105功率准数（Np）单层搅拌功率（P0/）1600W两层搅拌功率（P0）3200W通风量（Q）m3/min通气搅拌功率（Pg）210W电机功率（P）240W罐体壁厚（S）电5mm封头壁厚（S2）7mm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

焊接方式双面缝焊接由工艺条件确定罐体筒壁厚5mm计算封头壁厚7mm计算搅拌器类型六弯叶涡轮式搅拌器根据参考文献选取搅拌叶直径360mm计算搅拌器层数2由工艺条件确定手孔1个，标准号HG/T215352005根据参考文献［5］选取视镜2个，标准号HGJ5018614根据参考文献［5］选取进、排料口直径①48x4mm计算进、出气口直径012x计算冷却水进、出口直径①43mm计算补料口直径048x4mm计算取样口直径048x4mm计算温度计装配式热电阻温度传感Pt100型根据参考文献［6］选取支座支撑式支座根据参考文献［6］选取压力表Y－250Z根据参考文献［6］选取液位计R－61根据参考文献［6］选取溶氧探头SE－N－DO－F根据参考文献［6］选取pH探头pHs—2型根据参考文献⑹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