年產(chǎn)20噸硫慶大霉素發(fā)酵罐設(shè)計(jì)

1、 1前言 生物反應(yīng)工程與設(shè)備課程設(shè)計(jì)是生 物工程專業(yè)一個(gè)重要的、綜合性的實(shí)踐 教學(xué)環(huán)節(jié)，要求綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)如生 化反應(yīng)工程與生物工程設(shè)備課程來解決 生化工程實(shí)際問題，對培養(yǎng)我們?nèi)娴?理論知識(shí)與工程素養(yǎng)，健全合理的知識(shí) 結(jié)構(gòu)具有重要作用。發(fā)酵罐是發(fā)酵設(shè)備 中最重要、應(yīng)用最廣的設(shè)備，是發(fā)酵工 業(yè)的心臟，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，市而上出現(xiàn)了種 類繁多、功能更加完備的新型發(fā)酵罐。 如何選擇或者設(shè)計(jì)一種合適的發(fā)酵罐將 會(huì)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文旨在通過相 應(yīng)的參數(shù)計(jì)算和設(shè)備計(jì)算完成年產(chǎn)20噸 慶大霉素的機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐初步設(shè)計(jì)。 2常見的發(fā)酵罐 2.1 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 機(jī)械攪拌

2、發(fā)酵罐是利用機(jī)械攪拌器 的作用，使空氣和發(fā)酵液充分混合，促 使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生 物生長繁殖、發(fā)酵所需的氧氣，又稱通用 式發(fā)酵罐?？捎糜谄【瓢l(fā)酵、白酒發(fā)酵、 檸檬酸發(fā)酵、生物發(fā)酵等。 2.2 氣升式發(fā)酵罐 氣升式發(fā)酵罐把無菌空氣通過噴嘴 噴射進(jìn)發(fā)酵液中，通過氣液混合物的 湍流作用而使空氣泡打碎，同時(shí)由于 形成的氣液混合物密度降低故向上運(yùn) 動(dòng)，而含乞率小的發(fā)酵液下沉，形成 循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)。其 結(jié)構(gòu)簡單、不易染菌、溶氧效率高和 耗能低，主要類型有氣升環(huán)流式、鼓 泡式、空氣噴射式等。 圖2氣升式發(fā)酵罐原理圖 2.3 自吸式發(fā)酵罐 自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣 壓縮機(jī)，而在

3、攪拌過程中自吸入空氣 的發(fā)酵罐。葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片不斷排開 周圍的液體使其背側(cè)形成真空，由導(dǎo) 氣管吸入罐外空氣。吸入的空氣與發(fā) 酵液充分混合E在葉輪末端排出，并 立即通過導(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折 流涌向液而，均勻分布。 與機(jī)械發(fā)酵罐相比，有一個(gè)特殊 的攪拌器，但沒有通氣管。罐為負(fù)壓, 易染菌，當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時(shí)，會(huì)打碎絲狀 發(fā)酵鑼的結(jié)構(gòu)示意圖 圖1機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐 414 (1) 年產(chǎn)量：G二20 t (慶大霉素) (2) 年工作日：M二300天 (3) 發(fā)酵周期：t二6天 (4) 發(fā)酵平均單位：UF1400單位/毫 升 (5) 成品效價(jià)：nP=580單位/毫克 (6) 提煉總效率：T1F87% (7)

4、每年按300天計(jì)算，每天24小時(shí) 連續(xù)運(yùn)行。 (8) 裝料系數(shù)：0=75% 4工藝計(jì)算 4.4 每噸產(chǎn)品需要的發(fā)酵液量 4.5 機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐的高度和直徑 DYI.2時(shí)，一般使用H/ = 175_2 DAI.2 時(shí),/7/ = 2 3 確定發(fā)酵罐的高度和直徑： D二 3. 1m H=6. Om 其中，D為發(fā)酵罐公稱直徑，H是發(fā)酵罐圓筒 高。 4.6 機(jī)械發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算 tz 匕 31.75 “ * 3 K =二一-=42. 4 nr nd 0 1x0.75 按照國內(nèi)發(fā)酵罐系列取 =50, 叫叫: :每天放罐系數(shù)，取罐； 0:發(fā)酵罐裝料系數(shù)，0=75%; 式中， P設(shè)計(jì)壓力，取最高工作壓力的1

5、.05 倍，P二0.4Mpa D發(fā)酵罐內(nèi)徑，D=310cm a 一 A3 鋼的許用應(yīng)力，【?！?=127Mpa 0 焊縫系數(shù)，取0=0.7 發(fā)酵罐總臺(tái)數(shù)n=/ x發(fā)酵周期 C 一壁厚附加 C = C1 + C2 + C3 n=1 x6=6(臺(tái)) 發(fā)酵周期二每罐批發(fā)酵時(shí)間+輔助時(shí)間 輔助時(shí)間二進(jìn)料時(shí)間+滅菌操作時(shí)間+移 種時(shí)間+放罐壓料時(shí)間+清洗檢修時(shí)間 4.3 發(fā)酵罐實(shí)際產(chǎn)量 C鋼板負(fù)偏差，取C = 0.8mn G為腐蝕欲量，取Cn=2mm 4.1 由年產(chǎn)量決定每天放罐發(fā)酵液體積 Vd 取 Hh. 95D 100(X7 H 即導(dǎo) T 進(jìn)“沖 4.2 發(fā)酵罐公禰容積嶺和臺(tái)數(shù)的確定 4. 6.1計(jì)

6、算法確定發(fā)酵罐的壁厚S 3已知工藝條件 23.58x1000 300 =7&6千克/年,臺(tái) 50 x0.75 0.0786 = 477.10/n3/r 設(shè)發(fā)酵罐的圓筒體積為嶺，封底體積為、 1000 x20 x580 300 x1400 x87% PD 2【b】0-P + C (cm) 50 x 20 = 23.58 噸 / 年 得 C = C, + C2 + C3 = 0.8 + 2 + 0 = 0.28 414 C3加工減薄量，取c3=o,代入上式4 4. 6.2封頭壁厚計(jì)算 嘰-橢圓封頭的直邊高度m,取嘰二0.05m h廣橢圓封頭短半軸長度， h=lz）= 0.77 a 4 標(biāo)準(zhǔn)

7、橢圓封頭的厚度計(jì)算公式如下： PD S，= - - C （cm） -2r 0-P 式中，P=0. 4Mpa, D=310cm, a =127Mpa C二0. 08cm, C2 二0. 2cm, C3 二0. 1 cm C = C）+C2 +C3 = 0.38cm, =0 7 代入上式，得： S、=0-4x310一 + 0.38 = 1.07cm -2x127x0.7-0.4 查鋼材手冊圓整為S2=12mmo 4.7 發(fā)酵罐攪拌裝置計(jì)算和軸功率計(jì)算 4. 7.1攪拌裝置 發(fā)酵罐的攪拌器一般都釆用圓盤的 渦輪攪拌器，攪拌葉的形式有平葉、彎 葉、箭葉三種，其外形見下圖： 功率消耗： 平葉彎葉箭葉 發(fā)

8、酵液中氣含率:平葉 彎葉箭葉 柏向混令效果：箭葉彎葉平葉 圖4三種常用渦輪攪拌器 攪拌葉形式的選擇是發(fā)酵罐設(shè)計(jì) 中的一個(gè)關(guān)鍵。本次設(shè)計(jì)，由于慶大 霧素發(fā)酵過程有中間補(bǔ)料操作，對混 合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪 拌器。 該攪拌器的各部分尺寸與罐徑D有一 定比例關(guān)系，現(xiàn)將主要尺寸列出： 攪拌器葉徑 * 二D/3二3. 1/3=1.03m 取 dj=1. m 擋板寬 B=0. 1 ds=0.1 X1=0. 1m 底距 C=d, =1. Om 攪拌葉間距 S=D=3. 1m 彎葉板厚 8 =12mm 4. 7.2攪拌軸功率的計(jì)算 4. 7. 2. 1不通風(fēng)情況的攪拌軸功率 不通風(fēng)情況的攪拌軸功率隨

9、著液 體的性質(zhì)、攪拌器的形式、罐的結(jié)構(gòu) 尺寸的不同而不同。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)可 得功率準(zhǔn)數(shù)（/,）和攪拌雷諾指數(shù) （&）之間的函數(shù)關(guān)系： 吹心揚(yáng) - P 二二 NpflnD： 其中：p:攪拌功率（公斤米/秒）（1 千瓦二102公斤米/秒） n:攪拌器轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒） D,:攪拌器直徑（米） Q：液體密度（公斤/）0.4x310 2x127x0.7-0.4 + 0.28 = 0.98cm 5 由化工原理可知：104 湍流 六平葉渦輪漿 N二二 6.0 圖5 Np-Re曲線 上式公式只適用于湍流和滯留， 過渡流時(shí)Np不是一個(gè)常數(shù)，必須從 N 嚴(yán)嚴(yán)& &曲線查詢。 當(dāng)R, 104,屬

10、于湍流區(qū)。 此時(shí)的流 體 （見圖5）稱為牛頓型流體，由上圖實(shí) 驗(yàn)得出的曲線來看，該區(qū)Np不隨&的增 如而增加，基本上趨于水平線，也就是 說N為一常數(shù)。 化,二4.7 由公式 1 7()3 P = 4.7X107X一 xl.035 6O3 =13260.52Rgs = 110.5kW 校正得： |(3.1/1.03)(6/1.03) xllQ 5 人 V 3x3 = 154.3ZrVV/?, /D4 H:/n g S W/D 1 D = - = 136.4/: W 0.8 從上而可以看出，基本功率約為137kWo 4.8發(fā)酵罐冷卻水量和冷卻面積計(jì)算 4. 8. 1發(fā)酵熱效應(yīng) Q 熱熱=Q

11、PV 其中。熱：發(fā)酵熱效應(yīng)KJ/h Qj發(fā)酵熱 3500kCa I / m3h =14700KJ/ m3h 夏季冷卻水用量計(jì)算： W = - C -人） = _ 發(fā)酵熱效應(yīng)X 1.2 _ 二比熱（冷卻水出口溫度-冷卻水入口溫度） 470400 = - x 1.2 4.18（20-10） =13.5t/z 取14噸/時(shí)。 4. 8.3冷卻器而積計(jì)算 F = 2 kN Q :發(fā)酵熱效應(yīng)470400kJ /力 K:傳熱系數(shù)200-450kCal/，力“c 取 K=3QQ kCal/m2hC 7 /=平均溫差 _(切-t進(jìn))+(t址 7 出) 2 _ (34-17) + (34-20) _155 2

12、亠 Q 470400 F = - = -= 24.2/? KN 300 x4.18x15.5 取 25 nr 4.9 蒸汽消耗量計(jì)算 發(fā)酵罐蒸汽消毒有三種方法：實(shí)消. 連消.空消。慶大霉素常常采用實(shí)消方 法。實(shí)消蒸汽用量最大，蒸汽直接通入 罐內(nèi)與發(fā)酵液等一起加熱，使罐溫從 80-90 C迅速升溫至120X以達(dá)到滅 菌的效果。保溫時(shí)間內(nèi)蒸汽用量按升溫 用汽量的30-50%進(jìn)行計(jì)算。 4.9.1直接蒸汽混合加熱蒸汽消耗量的 計(jì)算： 4.10 發(fā)酵罐發(fā)酵過程中需要壓縮的 空氣量 4. 10. 1通風(fēng)比計(jì)算法 發(fā)酵工廠壓縮空氣量一般都是根 據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以通風(fēng)比來決定，如 慶大霉素工廠提供的通風(fēng)比 1

13、:1.21.5 已知發(fā)酵罐50屛6臺(tái)，裝料系數(shù)75%, 取通風(fēng)比為1:1.2,則壓縮空氣需要 量： 0 = 50 x6x0.75 xl.2 = 270/?/5 /nin 4. 10.2耗氧率的計(jì)算方法 各種微生物的耗氧率因種類的不 同而不同，其范圍大致為 25-100mgmol/l.h(慶大霉素生產(chǎn)取 38mg-moI/1, h),根據(jù)抗生素生產(chǎn)工藝 學(xué))P103 (7-30)公式：耗氧率二單位時(shí) G:被加熱料液量kg,已知為32nt / :耗氧速率mg-mo I/1. h 厶：加熱結(jié)束時(shí)的料液溫度120 C /,:如熱開始時(shí)的料液溫度35C I:蒸汽熔KJ/kg, 0.4MPa焙為 650k

14、Cal/kg ：熱損失5-10%,取5% D= 33600 X4.18X(120-35) 650 x4.18-120 x4.18 = 5658. lkg 4.9.2滅菌保溫時(shí)間內(nèi)的蒸汽用量0 2 二0. 5 耳=0.5 x 5658.1 = 2829.05 kg G:空氣流量nf /min Gi!:進(jìn)口空氣含量21% G.,:出后空氣含量19. 8% (工廠數(shù)據(jù)) G _ rxV x22.4 60 xl0(0.21-0.198) _ 38x50 x0.75x6x22.4 _60X105X(0.21-0.198) =266/?5 / min 計(jì)算結(jié)果和通風(fēng)比計(jì)算結(jié)果非常 接近，進(jìn)一按通風(fēng)比計(jì)算切

15、合實(shí)際。 5管道設(shè)計(jì)D):蒸汽消耗量kg / = Gx60 x 1 224 xlOC進(jìn)C出)x* D = GC(f2_G d)c 間內(nèi)進(jìn)口空氣中氧的含量一單位時(shí)間 內(nèi)出口空氣中氧的含量X 1 發(fā)酵液的體8 5.1 接管設(shè)計(jì) 接管的長度h設(shè)計(jì) 各接管的長度h根據(jù)直徑大小和有無 保溫層，一般取100200mm 接管直徑的確定 主要根據(jù)流體力學(xué)方程式計(jì)算。已知 物料的體積流量，又知各種物料在不同情 況下的流速，即可求出管道截面積，計(jì)算 出的直徑再休整到相近的鋼管尺寸即可。 通風(fēng)管的管徑計(jì)算 該罐實(shí)裝醪量32m3 設(shè)1h內(nèi)排空，則物料體積流量 Q = 一=0.0088m% 3600 x1 發(fā)酵醪流速取

16、V=1m/s 則排料管截面積為環(huán) 2 =（）（）母=00088m2 仏V 1 E，5 =0.785/ 則管徑d = 1-=叵墜=0.11m V 0.785 V 0.785 取無縫鋼管121x 4適用。 若按通風(fēng)管計(jì)算，壓縮空氣在 0. 4Mpa下，支氣管氣速為20m/s,通風(fēng) 比 1:1.2o 20 C, 0. 1Mpa 下： 取d二695x4無縫管，則滿足工藝要求。 由此可知： 則進(jìn)料口： d 0121x4 封頭 排料口： d 6121x4 罐底 進(jìn)氣口： d 95x4 封頭 排氣口： d 95x4 罐底 橢圓人孔： 300 x400mm 封頭 5.2 蛇管的計(jì)算 冷卻管總而積 冬季最高峰時(shí)

17、w=45t/h=12. 5Kg/s, 冷卻水體積流量為12. 5Kg/s,取冷卻 水在豎直蛇管中流速1m/s,根據(jù)流體 力學(xué)方程式，冷卻管總截而積S總為： s總弋 式中： W:冷卻水體積流量，w=12.5X10_?m 3 /s V:冷卻水流速，v=1m/s 代入上式，S總=12. 5X10% 冷卻管組數(shù)和管徑 設(shè)管徑為d ,組數(shù)為n,則 S總二n. 0. 785. d 5 根據(jù)本罐情況，取n二3,求管徑，由上 式得： 取風(fēng)速v=20m/s,則風(fēng)管截面積耳為: 0=32x1/1.2=25. 8 m3 / min = 0.43m3/s 計(jì)算到0.4Mpa, 30 C狀態(tài)下： 12.5x107 V

18、3x0.785 =0.0728m Qf = 0.43x 0.1 273+30 x - 0.4 273 + 20 = 0.1 lm/s 查金屬材料表選取不銹鋼無縫鋼 管表，選取83X4無縫管，d,=75mm, 9 = QL = 2dl v 20 =O.OO55m2 F（ =0.785d,則氣管直徑d氣為: d內(nèi)o，滿足要求，平均dT. =77mmo 現(xiàn)取豎蛇管圏端部U型彎管曲徑為 250mm,則兩直管距離為500mm,兩端 彎管總長度1。 1（ = TTD = 3.14 x 500 = 1570 （ nun ） 2 = 0.083m 0.785 10 2.5D 外=2.5x0.077 = 0.1

19、9m ,豎直蛇管 與罐壁的最小距離為0. 15m,則可計(jì)算出冷卻管總長度L計(jì)算 有前知冷卻管總而積F二25布 現(xiàn)取無縫鋼管0)83X4,每米長冷卻而積 為熱=3 14 x 0.077 x 1= 0.24m2 F 25 則 L = = 04=104-2W 鼻際=厶 + 4=104. 2+4=108. 2m 冷卻管占有體積V=0 785X0. 0732 X 104. 2二0. 44m3 每組管長L。和管組高度 L_1043 =34.8m 兩端彎管總長Lo=1570mm,兩端彎管總 高為500mm,則直管部分高度： h二H-500二3400-500二2900 (mm),則一圈 管長 l = 2h+lo = 2 x 2900 +1570 = 7370 mm 每組管子圈數(shù) _L0 _ 34.8 LT37 現(xiàn)取管間距 與攪拌器的距離在允許范圍內(nèi)(不小 于 200mm)o 校核布置后冷卻管的實(shí)際傳熱而積 巧:=nd 平均 x L,；.=兀 x 0.079x 10&2 = 27nr 而前有F二25. 7 nV, E. F, “可滿足 要求。 5. 3 支座選擇 發(fā)酵