年產(chǎn)20噸硫酸慶大霉素發(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)一個重要地、綜合性地實(shí)踐教案環(huán)節(jié)，要求綜合運(yùn)用所學(xué)知識如生化反應(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)娴乩碚撝R與工程素養(yǎng)，健全合理地知識結(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)用最廣地設(shè)備，是發(fā)酵工業(yè)地心臟，是連接原料和產(chǎn)物地橋梁 .隨著工業(yè)技術(shù)地發(fā)展，市面上出現(xiàn)了種類繁多、功能更加完備地新型發(fā)酵罐.如何選擇或者設(shè)計(jì)一種合適地發(fā)酵罐將會成為一個研究熱點(diǎn).本文旨在通過相應(yīng)地參數(shù)計(jì)算和設(shè)備計(jì)算完成年產(chǎn) 20 噸慶大霉素地機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐初步設(shè)計(jì) .2 常見地發(fā)酵罐2.1 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐機(jī)械攪拌發(fā)酵罐是利用機(jī)械攪拌器地

2、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)酵所需地氧氣 ,又稱通用式發(fā)酵罐 .可用于啤酒發(fā)酵、白酒發(fā)酵、檸檬酸發(fā)酵、生物發(fā)酵等.圖 1 機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐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，通過氣液混合物地湍流作用而使空氣泡打碎，同時由于形成地氣液混合物密度降低故向上運(yùn)動，而含氣率小地發(fā)酵液下沉，形成循環(huán)流動，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)，而在攪拌過程中自吸入空氣地發(fā)酵罐.

3、葉輪旋轉(zhuǎn)時葉片不斷排開周圍地液體使其背側(cè)形成真空，由導(dǎo)氣管吸入罐外空氣 .吸入地空氣與發(fā)酵液充分混合后在葉輪末端排出，并立即通過導(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折流涌向液面，均勻分布 .與機(jī)械發(fā)酵罐相比，有一個特殊地?cái)嚢杵?，但沒有通氣管 .罐為負(fù)壓，易染菌，當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時，會打碎絲狀菌 .圖 3 自吸式發(fā)酵罐3 已知工藝條件（ 1）年產(chǎn)量： G=20 t （慶大霉素）（ 2）年工作日： M=300 天（ 3）發(fā)酵周期： t=6 天（ 4）發(fā)酵平均單位： m=1400單位 /毫升（ 5）成品效價： p=580單位 /毫克（ 6）提煉總效率： p=87%（ 7）每年按 300 天計(jì)算，每天 24 小時連續(xù)運(yùn)行

4、 .（ 8）裝料系數(shù)： =75%4 工藝計(jì)算4.1 由年產(chǎn)量決定每天放罐發(fā)酵液體積Vd確定發(fā)酵罐地高度和直徑：設(shè)發(fā)酵罐地圓筒體積為V筒 ，封底體積為V底V0=V筒 + V底V0= D2H2D 3424取 H=1.95D1000 GV dMp即 3.14 1.95D 33.14 2 D350 m424mp100020580300140087%31.75 m3 d4.2 發(fā)酵罐公稱容積V0 和臺數(shù)地確定V0Vd=31.75=42.4 m3nd1 0.75按照國內(nèi)發(fā)酵罐系列取V0 50m3nd ：每天放罐系數(shù)，取nd =1 罐；：發(fā)酵罐裝料系數(shù)，=75%；發(fā)酵罐總臺數(shù) n= nd發(fā)酵周期n=16=6

5、( 臺）發(fā)酵周期 =每罐批發(fā)酵時間+輔助時間輔助時間 =進(jìn)料時間 +滅菌操作時間+移種時間+放罐壓料時間 +清洗檢修時間4.3 發(fā)酵罐實(shí)際產(chǎn)量502023.58噸 年D=3.1mH=6.0m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)酵罐壁厚地計(jì)算計(jì)算法確定發(fā)酵罐地壁厚S1 S1PDC（ cm）【 】2P式中，P 設(shè)計(jì)壓力，取最高工作壓力地1.05 倍，P=0.4MpaD 發(fā)酵罐內(nèi)徑，D=310cm【 】 A3 鋼地許用應(yīng)力，【】=127Mpa焊縫系數(shù)，取 =0.7C壁厚附加量CC1C 2C 3C1 鋼板負(fù)偏差，取C10.8mmC2 為腐蝕欲量，取C 2 =2mmC 3 加

6、工減薄量，取C 3 =0，代入上式得CC1C2C30.8200.28mm42.423.58100030078.6 千克 年，臺S10. 43100.28 0.98 cm1270.720.44.4 每噸產(chǎn)品需要地發(fā)酵液量50 0.75477.10 m3 / t0.07864.5 機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐地高度和直徑D1.2時，一般使用 H D1.75 2封頭壁厚計(jì)算hb -橢圓封頭地直邊高度m，取 hb =0.05mha -橢圓封頭短半軸長度， ha =1 D 0.774時，23D 1.2 HD標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭地厚度計(jì)算公式如下：S2PDC（ cm）【 】2P式中， P=0.4Mpa， D=310cm ，【

7、】 =127MpaC1 =0.08cm ， C 2 =0.2cm， C 3 =0.1cmC C1C2C30.38cm，=0.7代入上式，得 :S20.43101.07cm1270.70.3820.4查鋼材手冊圓整為S2 =12mm.4.7 發(fā)酵罐攪拌裝置計(jì)算和軸功率計(jì)算攪拌裝置發(fā)酵罐地?cái)嚢杵饕话愣疾捎脠A盤地渦輪攪拌器，攪拌葉地形式有平葉、彎葉、箭葉三種，其外形見下圖：底距C=d i =1.0m攪拌葉間距S=D=3.1m彎葉板厚=12mm攪拌軸功率地計(jì)算不通風(fēng)情況地?cái)嚢栎S功率不通風(fēng)情況地?cái)嚢栎S功率隨著液體地性質(zhì)、攪拌器地形式、罐地結(jié)構(gòu)尺寸地不同而不同 .經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)可得功率準(zhǔn)數(shù)（ N p ）和攪

8、拌雷諾指數(shù)（Re ）之間地函數(shù)關(guān)系：N p =f (Re ) =p- n3Di5P= N pn3Di5其中： p：攪拌功率（公斤米秒）（1千瓦 =102 公斤米 秒）n：攪拌器轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn) 秒 ）Di ：攪拌器直徑（M ）：液體密度（公斤/ m3 ）由化工原理可知：Re104湍流圖 4 三種常用渦輪攪拌器Re10滯流攪拌葉形式地選擇是發(fā)酵罐設(shè)計(jì)中地一個關(guān)鍵 .本次設(shè)計(jì)，由于慶大霉素發(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.該攪拌器地各部分尺寸與罐徑D 有一定比例關(guān)系，現(xiàn)將主要尺寸列出：攪拌器葉徑d i =D/3=3.1/3=1.03m取 d i =1.m擋板寬 B=0.1

9、d i =0.1 ×1=0.1m10 Re 1010 過渡流圖 5 N p Re曲線上式公式只適用于湍流和滯留，過渡流時 N p 不是一個常數(shù)，必須從N pRe 曲線查詢 .當(dāng) Re104 ，屬于湍流區(qū) .此時地流體（見圖 5）稱為牛頓型流體，由上圖實(shí)驗(yàn)得出地曲線來看，該區(qū) N p 不隨 Re 地增加而增加，基本上趨于水平線，也就是說N p 為一常數(shù) .六平葉渦輪漿N p =6.0六彎葉渦輪漿N p =4.7六箭葉渦輪漿N p =3.7工作狀態(tài)時，通常發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液都需要處于湍流狀態(tài)，因此使用N pRe 曲線圖，線圖計(jì)算無通氣時地?cái)嚢杪时容^方便，算出 Re ，并查地 N p 值，則攪

10、拌功率即可由下式計(jì)算（生物工廠設(shè)計(jì)）pN pN 3Di5上式是根據(jù) H D 3 , D Di 3 W D 0.1, B Di 1若不符合上述條件，可用下面公式校正：（ D Di )( H Di )P實(shí)P33功率計(jì)算：已知 n=170 轉(zhuǎn) /分（工廠提供數(shù)據(jù)）Di 1.03米, 一般Di / D1 2-1 3，本設(shè)計(jì)取 1 3r g 1050 9.81107公斤 秒2 / 米4（ r1.05噸 米 3 ，工廠測定數(shù)據(jù)）N p =4.7由公式P 4.7 107 1703 1.03560313260 .52kgm / s110 .5kW校正得：（ 3.1 1.03）(6 1.03)P實(shí)110.533

11、154.3kW根據(jù)一般攪拌器之間地距離S=1.5-2.5 Di發(fā)酵罐筒體高度攪拌器個數(shù) =攪拌器間距6=1.032=2.9 個取 3 個一般，三個攪拌器為單個攪拌器地2 倍：P實(shí) 154.32 308.6 kW通風(fēng)條件下地?cái)嚢韫β?7 C o ，出口 20 C o .夏季：氣溫17C o 時采用循環(huán)水進(jìn)口10 C o ，出口 20 C o .冬季冷卻水循環(huán)水用量計(jì)算：由風(fēng)速估計(jì)通風(fēng)情況下地?cái)嚢韫β蕦⑾陆担?dāng)風(fēng)速大于WQ冷30M/ 小時，通風(fēng)功率僅為不通風(fēng)地40-50%則實(shí) =308.6 45%138.9kW.P由經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)密氏公式（生物工廠設(shè)計(jì)）PgK (P2nDi3)0.45其中 K=0.

12、156Q0. 56C (t2t1 )發(fā)酵熱效應(yīng)1.2比熱（冷卻水出口溫度- 冷卻水入口溫度）470400（1.2）4.18 20 -1745t / h夏季冷卻水用量計(jì)算：0.156( 308.62 170 1.033)0.45WQ冷=(50 0.75 1.2) 0.56=109.1kW設(shè)機(jī)械傳動效率為0.8則 Pg109.2136.4kW0.8從上面可以看出，基本功率約為137kW.4.8 發(fā)酵罐冷卻水量和冷卻面積計(jì)算發(fā)酵熱效應(yīng)C (t2t1 )發(fā)酵熱效應(yīng)1.2比熱（冷卻水出口溫度- 冷卻水入口溫度）470400（1.2）4.18 20 -1013.5t / h取 14噸/時.冷卻器面積計(jì)算Q

13、熱QP V1FQ其中 Q熱 ：發(fā)酵熱效應(yīng)KJ/hQp ：發(fā)酵熱 3500kCal/ m3h =14700KJ/ m3h V1 :發(fā)酵液體積 32 m3Q熱1470032470400kJ / h各種發(fā)酵液發(fā)酵熱見下表：v冷卻水量地計(jì)算發(fā)酵過程，冷卻水系統(tǒng)按季節(jié)氣溫地不同，采用冷卻水系統(tǒng)也不同，為了保證發(fā)酵液生產(chǎn)，夏季必須使用冰水 .冬季：氣溫17C o 時采用循環(huán)水進(jìn)口k tQ : 發(fā)酵熱效應(yīng) 470400kJ / hK : 傳熱系數(shù) 200 - 450kCal / m2hoC取 K=300 kCal / m2 ho Ct 平均溫差（ t 罐 - t 進(jìn)）（ t罐 - t出 ) 2(3417)(

14、3420)15.52FQ47040024.2m2K t3004.1815.5取 25 m24.9 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 oC迅速升溫至120 o C 以達(dá)到滅菌地效果.保溫時間內(nèi)蒸汽用量按升溫用汽量地30-50%進(jìn)行計(jì)算 .直接蒸汽混合加熱蒸汽消耗量地計(jì)算：D1GC (t 2t1) (1 )(i t2 ) CD1 ：蒸汽消耗量kgG：被加熱料液量kg ，已知為 32 m3t2 ：加熱結(jié)束時地料液溫度120 o Ct1 ：加熱開始時地料液溫度35oCI ：蒸

15、汽焓 KJ/kg ，0.4MPa 焓為 650kCal/kg ：熱損失 5-10% ，取 5%D 33600 4.18 120 35 (1 0.05)650 4.18 120 4.185658.1kg滅菌保溫時間內(nèi)地蒸汽用量D 2D2 =0.5 D10.55658.12829.05 kg4.10 發(fā)酵罐發(fā)酵過程中需要壓縮地空氣量通風(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地通風(fēng)比 1:1.2-1.5已知發(fā)酵罐50 m36 臺，裝料系數(shù)75%，取通風(fēng)比為 1:1.2，則壓縮空氣需要量：Q 5060.751.2 270m3 / min耗氧率地計(jì)算方法各種

16、微生物地耗氧率因種類地不同而不生產(chǎn)取 38mg-mol/l.h) ，根據(jù)抗生素生產(chǎn)工藝學(xué)） P103(7-30) 公式：耗氧率 =單位時間內(nèi)進(jìn)口空氣中氧地含量 單位時間內(nèi)出口1空氣中氧地含量發(fā)酵液的體積G601103(C進(jìn) -C出） 122.4V：耗氧速率mg-mol/l.h3G進(jìn) ：進(jìn)口空氣含量21%G出 ：出后空氣含量19.8%（工廠數(shù)據(jù)）GrV 22.4103 (0.210.198)6038500.75622.460 103( 0.210.198)266m3 / 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)算切合實(shí)際 .5 管道設(shè)計(jì)5.1 接管設(shè)計(jì)接管地長度h 設(shè)計(jì)各接管地長度

17、 h 根據(jù)直徑大小和有無保溫層，一般取 100200mm接管直徑地確定主要根據(jù)流體力學(xué)方程式計(jì)算 .已知物料地體積流量，又知各種物料在不同情況下地流速，即可求出管道截面積，計(jì)算出地直徑再休整到相近地鋼管尺寸即可 .通風(fēng)管地管徑計(jì)算該罐實(shí)裝醪量32 m3設(shè) 1h 內(nèi)排空，則物料體積流量Q 320.0088m 3/s3600 1發(fā)酵醪流速取V=1m/s則排料管截面積為F物 F物Q0.00880.0088m 2V1同，其范圍大致為25-100mgmol/l.h( 慶大霉素F物0.785d 2則管徑 dF物0.00880.7850.7850.11m 取無縫鋼管 121x4 適用 .若按通風(fēng)管計(jì)算，壓縮

18、空氣在0.4Mpa 下，支氣管氣速為20m/s，通風(fēng)比 1:1.2.20 0 C ，0.1Mpa 下：Q=32x1/1.2=25.8 m3 / min0.43m 3 / s計(jì)算到 0.4Mpa， 30 0 C 狀態(tài)下：Qf0.430.1273300.11m 3 / s 取0.427320風(fēng)速 v=20m/s ，則風(fēng)管截面積Ff 為：FfQ f0.110.0055m 2v20Ff0.785d氣2，則氣管直徑 d氣 為：d氣0.00550.083m0.785取 d=95x4 無縫管，則滿足工藝要求.由此可知：則進(jìn)料口：d=121x4 封頭排料口：d=121x4 罐底進(jìn)氣口：d=95x4封頭排氣口：

19、d=95x4罐底橢圓人孔：300x400mm封頭5.2 蛇管地計(jì)算冷卻管總面積冬季最高峰時 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，冷卻管總截面積 S總 為：V ：冷卻水流速，v=1m/s代入上式，S總 =12.5 ×10 3 冷卻管組數(shù)和管徑設(shè)管徑為 d0 ，組數(shù)為 n，則2S總 0根據(jù)本罐情況，取n=3，求管徑，由上式得：d 0S總12.5 10 30.785n30.0728m0.785查金屬材料表選取不銹鋼無縫鋼管表，選取 83×4無縫管， d內(nèi) =75mm ，d內(nèi)d0 ，滿足要

20、求，平均d平 =77mm.現(xiàn)取豎蛇管圈端部u 型彎管曲徑為250mm ，則兩直管距離為500mm ，兩端彎管總長度l 0 l 0D3. 145001570（ mm ）冷卻管總長度L 計(jì)算有前知冷卻管總面積F=25 現(xiàn)取無縫鋼管83×4，每 M 長冷卻面積為F03.140.077 10.24m2則 LF25104.2mF00.24L實(shí)際L4 =104.2+4=108.2m冷卻管占有體積V=0.785 ×0.073 2 ×104.2=0.44m3每組管長 L 0 和管組高度L104.3L 034.8mS總wvn3兩端彎管總長L 0 =1570mm ，兩端彎管總高式中：3W ：冷卻水體積流量，w=12.5 ×10m3/s為 500mm，則直管部分高度： h=H-500=3400-500=2900 （ mm ），則一圈管長l2hl 02 290015707370mm型支座三種 .立式支座也分為三種即：懸掛支座，支撐式和裙式支座 .每組管子圈數(shù) n0對于 75m 3 以上地發(fā)酵罐，由于設(shè)備總n 0L 034.85圈重量較大，應(yīng)選用裙式支座.本設(shè)計(jì)L7.373現(xiàn)取管間距V= 50m 選用支撐式