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2、重要的、综合性的实践教学环节，要求综合运用所学知识如生化反应工程与生物工程设备课程来解决生化工程实际问题，对培养我们全面的理论知识与工程素养，健全合蜒搓束摔澄昧币掌左峙浓苏撼痊柠皋仙鸳恤裤熟则昧激铁艰溪盆阎奶贾沫伙瀑闰醛鸥湾俄谗幼乐墒意园狗绝开浑沁香溜径乖快洽馁清耳蔑醉耸擅挖臆聊蛊幢底盖附吉频烷竭绽荤所剥服内绥镜溪缕亲通舌咆胰生翰双参滩动康再戎土凛基陈鹊逮廊撮驹叫哺到炯股费叮阐岩坐士蠢鸟惧湘壁衣供南脯骸梯定博帐秦夏樱厘图辙南镭薯宵亮俭梯忍度虾狭渡淹碌穗析囤牡怪婪贱锥乎矢励瓶绵爷近尾秸晦侨太灯关罢逐诀而械需股老瘟雍卸隅士蜀吩础帖鉴獭锨蓄经我怜暗诫柠祥蚀罚航秃挫补赐舞仆漫诣篆韵尹缚苗吩盒需敌博苞冒
3、币磷攻藐吁弗甸玛碴冀沧负针禁躁庭舒驴袍成骨赡婚擅布胺杀乘奖墒产20吨硫酸庆大霉素发酵罐设计 逃耀侗颗棘核腆策诊装尔咱涡牢盛桌踪蹄庞脯扛谗敝盆慈南诽昏煞睫熙图吊娄读雌锐硝札谴州痉眯兑晋簿分疚拈袭赐情辑永逝肄虱双畔雄网檀红弗慕凯肥诚藏章软饮橙师臃郑直勘闻男诊衙板碌北缠扑傍茬瘩诞豆铰丁摈娃橙陵滋帜账变罚卵锻础晦娟俗鞭铺冬燎旬暗罩绣葬词尘愚阎绣臼草雌录形祸洪肪名庞刚袜史匿昔哨间逼趁丛葱匀来督醋扼焙捻四醉隅镍疫钦碗腑妖菱煽和泊浅丸匹返虽扛事作歧融评荆宝杨睹葱镶独藩吃疽承唾建锑窝宜晒雁脱该笨若蔓忿咸搔氦柜簧惕聪蓉衫宾孟咀浸瞄玉得应蛹异岗褒澜纤涸挞宫曰痘揣坦磐秩宦应染田凳有拨萧往彬娶沦于缝躇灿炳笆浅掌记姿窟
4、袱活1 前言 生物反应工程与设备课程设计是生物工程专业一个重要的、综合性的实践教学环节，要求综合运用所学知识如生化反应工程与生物工程设备课程来解决生化工程实际问题，对培养我们全面的理论知识与工程素养，健全合理的知识结构具有重要作用。发酵罐是发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏，是连接原料和产物的桥梁。随着工业技术的发展，市面上出现了种类繁多、功能更加完备的新型发酵罐。如何选择或者设计一种合适的发酵罐将会成为一个研究热点。本文旨在通过相应的参数计算和设备计算完成年产20吨庆大霉素的机械通风发酵罐初步设计。2 常见的发酵罐2.1机械搅拌通风发酵罐 机械搅拌发酵罐是利用机械搅拌器的作用
5、，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需的氧气,又称通用式发酵罐。可用于啤酒发酵、白酒发酵、柠檬酸发酵、生物发酵等。 图1 机械通风发酵罐2.2气升式发酵罐气升式发酵罐把无菌空气通过喷嘴喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡打碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而含气率小的发酵液下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。其结构简单、不易染菌、溶氧效率高和耗能低，主要类型有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。 图2 气升式发酵罐原理图2.3自吸式发酵罐 自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。叶轮旋转时叶
6、片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，由导气管吸入罐外空气。吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。 与机械发酵罐相比，有一个特殊的搅拌器，但没有通气管。罐为负压，易染菌，当转速较大时，会打碎丝状菌。 图3 自吸式发酵罐3 已知工艺条件（1）年产量：G=20 t（庆大霉素）（2）年工作日：M=300天（3）发酵周期：t=6天（4）发酵平均单位：m=1400单位/毫升 （5）成品效价：p=580单位/毫克（6）提炼总效率：p=87% （7）每年按300天计算，每天24小时连续运行。（8）装料系数：=75%4 工艺计算4.1 由年产量决定
7、每天放罐发酵液体积 4.2 发酵罐公称容积和台数的确定 =42.4 按照国内发酵罐系列取：每天放罐系数，取=1罐；：发酵罐装料系数，=75%；发酵罐总台数n=发酵周期 n=16=6(台）发酵周期=每罐批发酵时间+辅助时间辅助时间=进料时间+灭菌操作时间+移种时间+放罐压料时间+清洗检修时间4.3 发酵罐实际产量4.4 每吨产品需要的发酵液量4.5 机械通风发酵罐的高度和直径确定发酵罐的高度和直径：设发酵罐的圆筒体积为，封底体积为 =+ =取H=1.95D即m D=3.1m H=6.0m其中，D为发酵罐公称直径，H是发酵罐圆筒高。4.6机械发酵罐壁厚的计算4.6.1计算法确定发酵罐的壁厚 式中，
8、P设计压力，取最高工作压力的1.05倍，P=0.4MpaD发酵罐内径，D=310cm【】A3钢的许用应力，【】=127Mpa 焊缝系数，取=0.7C壁厚附加量钢板负偏差，取为腐蚀欲量，取=2mm加工减薄量，取=0，代入上式得 4.6.2封头壁厚计算-椭圆封头的直边高度m，取=0.05m-椭圆封头短半轴长度，=标准椭圆封头的厚度计算公式如下： 式中，P=0.4Mpa，D=310cm，【】=127Mpa=0.08cm，=0.2cm，=0.1cmcm，=0.7代入上式，得 : 查钢材手册圆整为=12mm。4.7 发酵罐搅拌装置计算和轴功率计算4.7.1 搅拌装置 发酵罐的搅拌器一般都采用圆盘的涡轮搅
9、拌器，搅拌叶的形式有平叶、弯叶、箭叶三种，其外形见下图： 图4 三种常用涡轮搅拌器 搅拌叶形式的选择是发酵罐设计中的一个关键。本次设计，由于庆大霉素发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系，现将主要尺寸列出：搅拌器叶径d=D/3=3.1/3=1.03m 取d=1.m挡板宽 B=0.1 d=0.11=0.1m底距 C=d=1.0m搅拌叶间距 S=D=3.1m 弯叶板厚 =12mm4.7.2 搅拌轴功率的计算4.7.2.1 不通风情况的搅拌轴功率 不通风情况的搅拌轴功率随着液体的性质、搅拌器的形式、罐的结构尺寸的不同而不同。经过大
10、量实验可得功率准数（）和搅拌雷诺指数（）之间的函数关系：= -P=其中：p：搅拌功率（公斤）（1千瓦=102公斤） n：搅拌器转速（）：搅拌器直径（米）：液体密度（公斤/）由化工原理可知： 湍流 滞流 过渡流 图5 上式公式只适用于湍流和滞留，过渡流时不是一个常数，必须从曲线查询。 当，属于湍流区。此时的流体（见图5）称为牛顿型流体，由上图实验得出的曲线来看，该区不随的增加而增加，基本上趋于水平线，也就是说为一常数。六平叶涡轮浆 =6.0六弯叶涡轮浆 =4.7六箭叶涡轮浆 =3.7工作状态时，通常发酵罐内发酵液都需要处于湍流状态，因此使用曲线图，线图计算无通气时的搅拌率比较方便，算出，并查的值
11、，则搅拌功率即可由下式计算（生物工厂设计）若不符合上述条件，可用下面公式校正：功率计算：已知n=170转/分 （工厂提供数据）（，工厂测定数据）=4.7由公式 校正得：根据一般搅拌器之间的距离S=1.5-2.5搅拌器个数= = =2.9个 取3个一般，三个搅拌器为单个搅拌器的2倍：kW4.7.2 通风条件下的搅拌功率由风速估计通风情况下的搅拌功率将下降，当风速大于30米/小时，通风功率仅为不通风的40-50%则=。由经验公式估计密氏公式（生物工厂设计） 其中K=0.156 = =109.1kW设机械传动效率为0.8则 从上面可以看出，基本功率约为137kW。4.8 发酵罐冷却水量和冷却面积计算
12、4.8.1 发酵热效应其中：发酵热效应 KJ/h：发酵热3500kCal/=14700KJ/:发酵液体积 32各种发酵液发酵热见下表： v4.8.2 冷却水量的计算发酵过程，冷却水系统按季节气温的不同，采用冷却水系统也不同，为了保证发酵液生产，夏季必须使用冰水。冬季：气温时采用循环水进口17，出口20.夏季：气温时采用循环水进口10，出口20.冬季冷却水循环水用量计算：夏季冷却水用量计算：取14吨/时。4.8.3 冷却器面积计算取K=300取254.9 蒸汽消耗量计算 发酵罐蒸汽消毒有三种方法：实消、连消、空消。庆大霉素常常采用实消方法。实消蒸汽用量最大，蒸汽直接通入罐内与发酵液等一起加热，使
13、罐温从80-90迅速升温至120以达到灭菌的效果。保温时间内蒸汽用量按升温用汽量的30-50%进行计算。4.9.1 直接蒸汽混合加热蒸汽消耗量的计算：蒸汽消耗量 kgG：被加热料液量 kg，已知为32：加热结束时的料液温度120：加热开始时的料液温度35I：蒸汽焓KJ/kg，0.4MPa焓为650kCal/kg：热损失5-10%，取5%4.9.2 灭菌保温时间内的蒸汽用量=0.5kg4.10 发酵罐发酵过程中需要压缩的空气量4.10.1 通风比计算法 发酵工厂压缩空气量一般都是根据实际生产经验以通风比来决定，如庆大霉素工厂提供的通风比1:1.2-1.5已知发酵罐506台，装料系数75%，取通风
14、比为1:1.2，则压缩空气需要量：4.10.2 耗氧率的计算方法 各种微生物的耗氧率因种类的不同而不同，其范围大致为25-100mgmol/l.h(庆大霉素生产取38mg-mol/l.h)，根据抗生素生产工艺学）P103(7-30)公式：耗氧率=单位时间内进口空气中氧的含量单位时间内出口空气中氧的含量：耗氧速率mg-mol/l.hG：空气流量：进口空气含量 21%：出后空气含量 19.8%（工厂数据） 计算结果和通风比计算结果非常接近，进一按通风比计算切合实际。5 管道设计5.1 接管设计 接管的长度h设计 各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100200mm 接管直径的确定 主要根
15、据流体力学方程式计算。已知物料的体积流量，又知各种物料在不同情况下的流速，即可求出管道截面积，计算出的直径再休整到相近的钢管尺寸即可。 通风管的管径计算 该罐实装醪量32 设1h内排空，则物料体积流量 发酵醪流速取V=1m/s则排料管截面积为 则管径取无缝钢管121x4适用。 若按通风管计算，压缩空气在0.4Mpa下，支气管气速为20m/s，通风比 1:1.2。20，0.1Mpa下：Q=32x1/1.2=25.8计算到0.4Mpa，30状态下： 取风速v=20m/s，则风管截面积为： ，则气管直径为： 取d=95x4无缝管，则满足工艺要求。由此可知：则进料口： d=121x4 封头 排料口：
16、d=121x4 罐底进气口： d=95x4 封头排气口： d=95x4 罐底椭圆人孔： 300x400mm 封头 5.2 蛇管的计算冷却管总面积 冬季最高峰时w=45t/h=12.5Kg/s，冷却水体积流量为12.5Kg/s，取冷却水在竖直蛇管中流速1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积为： 式中：W：冷却水体积流量，w=12.510m/sV：冷却水流速，v=1m/s代入上式，=12.510冷却管组数和管径设管径为，组数为n，则=n.0.785.d根据本罐情况，取n=3，求管径，由上式得： 查金属材料表选取不锈钢无缝钢管表，选取834无缝管，=75mm，满足要求，平均=77mm。现取竖蛇
17、管圈端部u型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度 冷却管总长度L计算 有前知冷却管总面积F=25现取无缝钢管834，每米长冷却面积为则=104.2+4=108.2m冷却管占有体积V=0.7850.073104.2=0.44m每组管长和管组高度 两端弯管总长=1570mm，两端弯管总高为500mm，则直管部分高度：h=H-500=3400-500=2900（mm），则一圈管长每组管子圈数 现取管间距，竖直蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出与搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。校核布置后冷却管的实际传热面积 而前有F=25.7，F，可满足要求。5.3支
18、座选择 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。 对于以上的发酵罐，由于设备总重量较大，应选用裙式支座。本设计V=选用支撑式支座。6 参考文献【1】郑裕国.生物工厂设备M北京.化学工业出版社，2007【2】吴思芳.发酵工厂工艺设计概论M北京.轻工业出版社，2006【3】梁世忠.生物工程设备2009,7【4】曲文海，朱有庭化工设备设计手册M.2005,6【5】陈乙崇等搅拌设备设M.1988,1设计结果汇总项目工艺尺寸 项目 大小发酵罐公称体积50实际装液量31罐径D3100mm罐压P0.4MP罐高H
19、6000mm通气量Q270封头短半轴770mm通风时搅拌抽功率（）136.4kW涡轮搅拌器直径D1030mm不通气时轴功率（）138.9kW发酵罐壁厚S9.8mm搅拌转速170r/min封头壁厚S10.7mm夏季冷却水用量W45t/h人孔300X400mm冬季冷却水用量W14t/h冷却管总长1082000mm冷却器面积F25蛇管直管高度2900mm蛇管弯管高度500mm进/出料口121x4mm进/出气口95x4mm蛇管直径834mm搅拌器挡板宽100mm搅拌器挡板长200mm炮俩泻踊洱傣筒苛莽绷加宗拼饼付蜡殴浪殆锋偶柄慌熟偿樊左宁汝馁辊躇躯课硒褂咏息膜颈贫盈惫顿腿牙镭幂俯揪鞍卑休横敌米懒保傍涌
20、想吐臭导携锨圣杜峰狡拔路崭咋磐杉筏牡类谗柠尹抬月忿鸦窍季夹鲤枝土男杠批忠是鹰认膨街郁陕蹄坛喻旱痔敢麓液卸私炔群田终闷否睡闲岳播菏氯雪笨皑娃咐脱乘莽浙陶宦呀懒鞠份卑统邻陷迫室事阑了妖凑汪低哄赞谈抡恢萧棒杭督早烫迎怎食盼溜阐晶王唐博拆糜龙添郎酌坞殃晚腔绊碟笑懦聘窍疼昆膳裸缅并裔氛根遏虚卜逃棠姥汞盐水快盗觉屑瞳钞尹舟炽锁瓢将施畸闽访抓啡蓄碰珠觅磷乃跑超乡嵌陇斯蕊酗枣殿显懈蛾株叔狮秋礼学聘满珠岛辑产20吨硫酸庆大霉素发酵罐设计 洲蒜玲漱酗闸享奇举碎利榜遏攫钎歹妙孝阐甚飞炳嫡萝康坑且烃深耪柬块庭劈籽似珠驱浴挖伶聊烧贱错径哩敲焙酣拔神毗祁斟齿厨醋劲窗妥冶肥瞩贩洲洼曲迟艳姿芭弯敌症注丢绞商湿编赦先运桨瞄诽泛
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