發(fā)酵罐設(shè)計(jì)原則

第二節(jié)：機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)好的發(fā)酵罐，在操作時(shí)應(yīng)當(dāng)是無(wú)雜菌的，即保證發(fā)酵過(guò)程不被污染。 下面為發(fā)酵罐設(shè)計(jì)時(shí)的基本原則： (1)盡量減少法蘭連接。因?yàn)樵O(shè)備震動(dòng)和熱膨脹，會(huì)引起法蘭連接處移位，而導(dǎo)致污染。 (2)盡可能采用全部焊接結(jié)構(gòu)。所有焊接點(diǎn)必須切實(shí)磨光，消除蓄積耐熱菌的固體物質(zhì)的場(chǎng)所。 (3)防止死角、裂縫，因?yàn)楣腆w物質(zhì)可在這些地方蓄積，為污染菌提供避開(kāi)滅菌的絕熱環(huán)境。,一、設(shè)計(jì)基本原則,(4)發(fā)酵系統(tǒng)的某些部分能單獨(dú)滅菌。(5)與發(fā)酵罐相通的任何連接都應(yīng)蒸汽密封，如采樣口的閥門在不使用時(shí)，其出口處應(yīng)有流動(dòng)蒸汽通過(guò)。(6)所用閥門應(yīng)易于清洗、維修和滅菌。(7)發(fā)酵罐應(yīng)始終保持正壓以排除滲漏。 (8)幾乎所有的發(fā)酵罐都由玻璃或不銹鋼制成。玻璃只限用在小于2030L的發(fā)酵罐。(9)多數(shù)發(fā)酵罐的底部和頂部都是碟形或橢圓形，小于500L的發(fā)酵罐也可用平頂，但必須符合壓力標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。過(guò)去丙酮丁醇發(fā)酵罐容積在400m3以上，40年代抗生素的發(fā)酵罐一般采用4060m3的不銹鋼發(fā)酵罐，目前常采用200m3或更大的發(fā)酵罐。(10)發(fā)酵罐的功率輸入為：實(shí)驗(yàn)室小型罐為810W/L，中間工廠中型罐為35WL，工廠大型罐為13WL,二、機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的設(shè)計(jì),機(jī)械攪拌發(fā)酵罐主要由攪拌裝置、軸封和罐體三部分組成。三個(gè)組成部分各起如下的作用:攪拌裝置：由傳動(dòng)裝置、攪拌軸、攪拌器組成 ,由電動(dòng)機(jī)和皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)攪拌軸使攪拌器按照一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ,以實(shí)現(xiàn)攪拌的目的。軸封：為攪拌罐和攪拌軸之間的動(dòng)密封 ,以封住罐內(nèi)的流體不致泄漏。罐體：罐體、加熱裝置及附件。它是盛放反應(yīng)物料和提供傳熱量的部件。,（一）、設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟：設(shè)備本體的設(shè)計(jì)：罐體的設(shè)計(jì)筒體的設(shè)計(jì)、計(jì)算封頭的設(shè)計(jì)、計(jì)算罐體壓力試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力校核及容積驗(yàn)算附件的設(shè)計(jì)選取接管尺寸的選擇法蘭的選取開(kāi)孔及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)人孔及其它傳熱部件的計(jì)算擋板、中間支承、扶梯的選取,攪拌裝置的設(shè)計(jì)：傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)、攪拌軸的設(shè)計(jì)、聯(lián)軸器的選取、軸承的選取及其軸承壽命的核算、密封裝置的選取、攪拌器的設(shè)計(jì)、攪拌軸的臨界轉(zhuǎn)速。,設(shè)備的強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢驗(yàn)設(shè)備承受各種載荷的計(jì)算設(shè)備重量載荷的計(jì)算設(shè)備地震彎矩的計(jì)算偏心載荷的計(jì)算塔體強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢驗(yàn)裙座的強(qiáng)度計(jì)算及校核裙座計(jì)算地腳螺栓計(jì)算 等裙座與筒體對(duì)接焊縫驗(yàn)算,（二）、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)計(jì)算,罐容積的計(jì)算 根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和發(fā)酵水平計(jì)算每日所需發(fā)酵液的量，再根據(jù)這一數(shù)據(jù)確定發(fā)酵罐的容積。,例如，一年產(chǎn)5萬(wàn)檸檬酸的發(fā)酵廠，發(fā)酵產(chǎn)酸水平平均為14%，提取總收率90%，年生產(chǎn)日期為300天，發(fā)酵周期為96小時(shí)。每日的產(chǎn)量=50000/300=166.7 t每日所需發(fā)酵液的量=166.7/（0.140.9） =1322.8 m3假定發(fā)酵罐的裝液系數(shù)為85%則每日所需發(fā)酵罐容積=1322.8/0.85=1556m3,取發(fā)酵罐的公稱容積為250米3則每日需要6個(gè)發(fā)酵罐發(fā)酵周期為4天，考慮放罐洗罐等輔助時(shí)間1天，整個(gè)周期為5天。則所需發(fā)酵罐的總數(shù)=56+1=31 個(gè),2、結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算 根據(jù)已確定的發(fā)酵罐公稱容積，可由下式計(jì)算發(fā)酵罐圓柱體的直徑。,封頭的容積的計(jì)算橢圓形封頭的容積可查手冊(cè)或按下式計(jì)算：,罐的全容積,發(fā)酵罐總高度,液柱高度：,（二）、附屬結(jié)構(gòu)的計(jì)算,擋板數(shù)量和尺寸計(jì)算,攪拌器的設(shè)計(jì)計(jì)算 首先根據(jù)生產(chǎn)菌種和發(fā)酵類型選定攪拌器的類型，再?gòu)囊延?jì)算出的發(fā)酵罐的直徑計(jì)算攪拌器相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸。,發(fā)酵罐罐體的尺寸比例Di = 1/3DHo = 2 DB = 1/8-1/12 DS = 25 DiC = 0.8-1.0DiH = 1.7-3.5 D,Di-攪拌器葉輪直徑D-罐徑Ho-罐高B-擋板高C 下攪拌葉輪與罐底距S- 相鄰攪拌葉輪間距,（三）、冷卻面積的計(jì)算,1、發(fā)酵過(guò)程的熱量計(jì)算 通常以一年中最熱的半個(gè)月中每小時(shí)放出的熱量作為設(shè)計(jì)冷卻面積的根據(jù)。 發(fā)酵過(guò)程中放出熱量的計(jì)算方法有：通過(guò)冷卻水帶走的熱量進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)發(fā)酵液的溫度升高進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)生物合成熱進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)燃燒熱進(jìn)行計(jì)算,(1)通過(guò)冷卻水帶走的熱量進(jìn)行計(jì)算 根據(jù)工藝設(shè)計(jì)的要求，選定同類型的發(fā)酵罐，于氣溫最熱的季節(jié)，選擇主發(fā)酵期產(chǎn)生熱量最快最大的時(shí)刻，測(cè)定冷卻水進(jìn)口的水溫及冷卻水出口的水溫，并測(cè)定此時(shí)每小時(shí)冷卻水的用量，按下式計(jì)算單位體積發(fā)酵液每小時(shí)傳給冷卻器的最大熱量。,根據(jù)不同類型的發(fā)酵液測(cè)得每m3發(fā)酵液每小時(shí)傳給冷卻器最大的熱量為：對(duì)青霉素的發(fā)酵約為4.1866000KJm3h，對(duì)鏈霉素的發(fā)酵約為4.1864500KJ米3 h，對(duì)四環(huán)素發(fā)酵約為4.1865000KJmh，對(duì)肌苷發(fā)酵約為4.1864200KJm3.h，對(duì)谷氨酸發(fā)酵約為4.1867500KJm3 h。,(2)通過(guò)發(fā)酵液的溫度升高進(jìn)行計(jì)算 于氣溫最熱的季節(jié)選擇主發(fā)酵期產(chǎn)生熱量最快最大的時(shí)刻，通過(guò)罐溫的自動(dòng)控制，先使罐溫達(dá)到恒定，關(guān)閉冷卻水，觀察罐內(nèi)發(fā)酵液在半小時(shí)內(nèi)上升的溫度，再換算為一小時(shí)內(nèi)上升的溫度，則可按下式計(jì)算出單位體積發(fā)酵液每小時(shí)放出最大熱量的近似值。,(3) 通過(guò)燃燒熱進(jìn)行計(jì)算生物熱 根據(jù)赫斯定律：熱效應(yīng)決定于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與變化的途徑無(wú)關(guān)。反應(yīng)的熱效應(yīng)，等于產(chǎn)物的生成熱的總和減去作用物的生成熱的總和。,Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射,攪拌器所產(chǎn)生的熱量可用下列近似公式計(jì)算:,3600：機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ?dāng)量（kJ/kW.h）,汽化熱Q3的計(jì)算：,2、冷卻面積的計(jì)算 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)： 蛇管的K值為4.186(300450)KJm3hC. 如管壁較薄，對(duì)冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)時(shí)， 根據(jù)查定， K值約為4.186(8001000)KJm3 h C。,冷卻排管的傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算：,計(jì)算題：一個(gè)年生產(chǎn)10萬(wàn)噸賴氨酸的發(fā)酵工廠，發(fā)酵產(chǎn)酸水平為15，提取總收率為90，年生產(chǎn)時(shí)間