立方米潔霉素機械通風(fēng)發(fā)酵罐設(shè)計

1、課程設(shè)計報告題目：200M3產(chǎn)潔霉素機械攪拌生物反應(yīng)器設(shè)計學(xué)生姓名：專業(yè)班級：學(xué)號：指導(dǎo)教師：設(shè)計時間：2013年5月24日教師評語教師簽名：年月日報告成績：課程設(shè)計任務(wù)書格式學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院專業(yè)班級姓名所在組別第二組設(shè)計題目200M3機產(chǎn)潔霉素機械攪拌生物反應(yīng)器設(shè)計完成時間2013年5月26設(shè)計內(nèi)容及要求1、通過查閱機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的有關(guān)資料，熟悉基本工作原理和特點。2、進行工藝計算3、主要設(shè)備工作部件尺寸的設(shè)計4、繪制裝配圖 5、撰寫課程設(shè)計說明書工作進度及安排13周周一 查閱資料及有關(guān)文獻13周周二至周五 有關(guān)工藝設(shè)計計算13周周六 撰寫課程設(shè)計說明書13周周日 裝配圖繪制指導(dǎo)教

2、師年月日200M3機產(chǎn)潔霉素機械攪拌生物反應(yīng)器設(shè)計摘要： 潔霉素發(fā)酵生產(chǎn)是典型的微生物次級代謝過程，生物反應(yīng)發(fā)酵機理復(fù)雜。林可霉素又稱鹽酸氯潔霉素、濟民力克、潔霉素、麗可勝、林肯霉素、洛霉素、鹽酸林肯霉素，常溫下為白色結(jié)晶性粉末。本文對林可鏈霉菌生產(chǎn)潔霉素的主要反應(yīng)設(shè)備作了設(shè)計和計算，包括發(fā)酵罐的容積及主要部件尺寸的確定，攪拌器的選型及功率計算，冷卻設(shè)備的計算等。Abstract:lincomycinfermentationis the typical microorganism secondary metabolism process,thebiological reaction mecha

3、nismof complexandclindamycin hydrochloride,JiminLectra,lincomycin,lincocin,lincomycin,clindamycin,Luolincomycin hydrochloride,room temperatureforestKelianmoldproduction oflincomycinmain reactionequipmentinthedesign andcalculation,including determination ofsize offermentation tankand the maincomponen

4、ts of theselection and calculation ofpower,agitator,and the calculation ofcoolingequipment.關(guān)鍵詞：潔霉素 發(fā)酵罐 攪拌器Keywords:lincomycinfermentation blender目 錄1概述11121.4設(shè)計方案的擬定22罐體幾何尺寸的確定442.2 幾何尺寸的確定43罐體主要部件尺寸的設(shè)計計算53.1 罐體53.2 罐體壁厚53.3 封頭壁厚計算53.4 攪拌器5663.6.1 管道接口63.6.2 儀表接口74冷卻裝置設(shè)計84.1 冷卻方式84.2 裝液量84.3 冷卻水耗量84

5、.4 冷卻面積85攪拌器軸功率的計算10101011126 設(shè)計小結(jié)137參考文獻141概述發(fā)酵罐設(shè)計前景生物反應(yīng)器是多學(xué)科交叉的生物技術(shù)領(lǐng)域，是21世紀(jì)生物工程發(fā)展的重要前沿之一。近年來，國內(nèi)外利用動物、植物和微生物生物反應(yīng)器生產(chǎn)蛋白藥物與其它重要產(chǎn)品的研究取得了令人矚目的進展，特別是功能基因的高效表達(dá)技術(shù)與方法研究有了許多新的突破，不少產(chǎn)品已進入研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化階段。生物反應(yīng)器（bioreactor）是利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)，其設(shè)計、放大是生化反應(yīng)工程的中心內(nèi)容。從反應(yīng)過程上看，生物反應(yīng)器根據(jù)培養(yǎng)對象的不同可分為以下幾種。微生物反應(yīng)器和酶反

6、應(yīng)器。微生物反應(yīng)器是生產(chǎn)中最基本也是最主要的設(shè)備，其作用就是按照發(fā)酵過程的工藝要求，保證和控制各種生化反應(yīng)條件，如溫度、壓力、供氧量、密封防漏、防止染菌等，促進微生物的新陳代謝，使之能在低消耗下獲得較高的產(chǎn)量。酶反應(yīng)器可分游離酶及固定化酶反應(yīng)器兩大類。細(xì)胞生物反應(yīng)器。動物細(xì)胞或植物愈傷組織培養(yǎng)條件苛刻，培養(yǎng)周期長，雜菌污染的危害性大，因此動植物細(xì)胞反應(yīng)器的設(shè)計遠(yuǎn)較微生物反應(yīng)器復(fù)雜。轉(zhuǎn)基因動植物生物反應(yīng)器。目前，動物生物反應(yīng)器中研究與應(yīng)用較多的是乳腺生物反應(yīng)器，該類反應(yīng)器基于轉(zhuǎn)基因技術(shù)平臺，使源基因?qū)雱游锘蚪M中并定位表達(dá)于動物乳腺，利用動物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白質(zhì)的能力，在動物的乳汁中

7、生產(chǎn)一些具有重要價值的產(chǎn)品。植物生物反應(yīng)器主要是指利用轉(zhuǎn)基因植物來生產(chǎn)蛋白質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物等工程產(chǎn)品。1.2 微生物生物反應(yīng)器的研究與應(yīng)用概述微生物反應(yīng)器和酶反應(yīng)器發(fā)展至今，已經(jīng)形成了多種類型：在操作方式上，間歇式、連續(xù)式和半間歇式均已得到研究和應(yīng)用 ；在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征上，目前已發(fā)展了釜 / 罐式、管式、塔式、膜式等類型 ；在能量的輸入方式上，目前已發(fā)展了通過機械攪拌輸入能量的機械攪拌式、利用氣體噴射動能的氣升式和利用泵對液體的噴射作用而使液體循環(huán)的生物反應(yīng)器等 ；在生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式上，目前已發(fā)展了生物團塊反應(yīng)器和生物膜反應(yīng)器，其中生物團塊反應(yīng)器根據(jù)催化劑相態(tài)的不同又發(fā)展了填充床

8、、流化床、生物轉(zhuǎn)盤等多種型式的生物反應(yīng)器 ；在反應(yīng)器內(nèi)的流動和混合狀態(tài)上，目前生物反應(yīng)器已發(fā)展至全混流型生物反應(yīng)器和活塞流型生物反應(yīng)器。微生物反應(yīng)器的研究和開發(fā)需要經(jīng)歷三個階段 ：實驗室階段 微生物的篩選和培養(yǎng)基的研究，在搖瓶培養(yǎng)或1 3L 反應(yīng)器中進行 ；中試階段 5 500L 規(guī)模小型反應(yīng)器，環(huán)境因素最佳操作條件研究；工廠化規(guī)模生產(chǎn) 實驗生產(chǎn)至商業(yè)化生產(chǎn)，提供產(chǎn)品并獲得經(jīng)濟效益。酶反應(yīng)器和下述的細(xì)胞生物反應(yīng)器研究也同樣需要經(jīng)歷實驗室階段、中試階段和規(guī)模生產(chǎn)階段。在三個階段中，盡管生物反應(yīng)過程相同，但規(guī)模的不同使反應(yīng)溶液的混合狀態(tài)、傳質(zhì)與傳熱速率等不盡相同，如何讓微生物、酶、細(xì)胞充分與外界接

9、觸并完成生化過程，達(dá)到足夠高的反應(yīng)效率，在工藝上都會有許多新的困難。反應(yīng)器類型的多樣性和工藝的復(fù)雜性一方面提高了反應(yīng)器研究和應(yīng)用的難度，另一方面也給生物反應(yīng)器的研究和發(fā)展帶來了巨大的空間。例如，近年來，膜生物反應(yīng)器在污水處理中的研究和應(yīng)用不斷發(fā)展。1.3 微生物反應(yīng)器的研究和應(yīng)用進展膜生物反應(yīng)器在污染處理中的應(yīng)用是近年來微生物反應(yīng)器的研究和應(yīng)用進展的代表性技術(shù)之一。除此之外，結(jié)合數(shù)學(xué)、動力學(xué)、化工工程原理、計算機等技術(shù)研究微生物反應(yīng)器和酶反應(yīng)器中的生化過程，使其過程控制的工藝更為合理，而固液分離技術(shù)（離心分離、過濾分離、沉淀分離等工藝）、細(xì)胞破壁技術(shù)（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶

10、等）、蛋白質(zhì)純化技術(shù)（沉淀法、色譜分離法和超濾法等）等下游技術(shù)的發(fā)展促進了生物反應(yīng)器設(shè)計水平的提高。另一方面，近年來基因工程技術(shù)等的發(fā)展推動了微生物反應(yīng)器研究的快速進步。例如，乙酸氧化脫硫單胞菌（Geobacter sulfurreducens）、泥土桿菌科（Geobacteraceae）的電極還原微生物等細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)和改造與質(zhì)子交換膜（PEM）的技術(shù)進步，共同推動了微生物燃料電池（MFC）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。1.4設(shè)計方案的擬定我設(shè)計的是一臺200M3機產(chǎn)潔霉素機械攪拌生物反應(yīng)器潔霉素（也稱為林可霉素）作為抗生素的一個分支，它的生產(chǎn)在醫(yī)藥生產(chǎn)中有重要的地位。潔霉素的生產(chǎn)以豆餅粉、淀粉、葡萄糖等為

11、原料，三級發(fā)酵而成。發(fā)酵是在接種和通氣攪拌下進行的，特點是先在種化過程中進行孢子培養(yǎng)，將成熟的孢子制成懸浮液，接種到液體種子培養(yǎng)液中，在一、二級種子工程中擴大培養(yǎng)，繁殖到一定濃度和數(shù)量后接入發(fā)酵罐中進行發(fā)酵。沽霉素是微生物的次級代謝產(chǎn)物，發(fā)酵過程中培養(yǎng)基與有關(guān)設(shè)備必須進行嚴(yán)格滅菌，與培養(yǎng)基接觸的罐體與管件必須密封，保證不被雜菌感染，培養(yǎng)過程中要適時補入糖、硫酸氨、氨水，以滿足菌體生長對碳源、氮源等養(yǎng)料的需求2 罐體幾何尺寸的確定表1 發(fā)酵罐主要設(shè)計條件項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注發(fā)酵菌種 林可鏈霉菌根據(jù)參考文獻1選取工作壓力0.4MPa由工藝條件確定設(shè)計壓力0.4MPa由工藝條件確定發(fā)酵溫度（工作

12、溫度）31根據(jù)參考文獻1選取設(shè)計溫度150由工藝條件確定冷卻方式蛇管冷卻由工藝條件確定發(fā)酵液密度由工藝條件確定發(fā)酵液黏度由工藝條件確定 夾套反應(yīng)釜主要由攪拌容器，攪拌裝置，傳動裝置，軸封裝置，支座，人孔，工藝接管和一些附件組成。攪拌容器分罐體和夾套兩部分，主要由封頭和筒體組成，多為中、低壓壓力容器；攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成，其形式通常由工藝設(shè)計而定；傳動裝置是為為帶動攪拌裝置設(shè)置的，主要由電機，減速器，聯(lián)軸器和傳動軸等組成；軸封裝置為動密封，一般采用機械密封或填料密封；它們與支座，人孔，工藝接管等附件一起，構(gòu)成完整的夾套反應(yīng)釜。2.2 幾何尺寸的確定根據(jù)工藝參數(shù)和高徑比確定各部幾何尺寸；高

13、徑比H/D=2.9，則H=2.9D初步設(shè)計：設(shè)計條件給出的是發(fā)酵罐的公稱體積（） 公稱體積V罐的筒身（圓柱）體積和底封頭體積之和全體積V0公稱體積和上封頭體積之和封頭體積 （近似公式）假設(shè)，根據(jù)設(shè)計條件發(fā)酵罐的公稱體積為由公稱體積的近似公式可以計算出 罐體直徑，罐體總高度，取整為14150。查閱文獻【2】 ，當(dāng)公稱直徑時，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的曲面高度，直邊高度，總深度，內(nèi)表面積，容積可得罐桶身高則此時與前面的假設(shè)接近，故可認(rèn)為是合適的發(fā)酵罐的全體積表2大中型發(fā)酵罐技術(shù)參數(shù)公稱容量筒體高度H(mm) 筒體直徑mm 換熱面積轉(zhuǎn)速r/min 電機功率kw 10 3200 1800 12 150 7.5 2

14、1 4700 2200 21 154 30 30 6600 2400 34 180 45 50 7000 2800-3000 38-60 160 55 60 8000 3000-3200 65 160 65 75 8000 3200 84 165 100 100 9400 3600 114 170 130 200 11500 4600 221 142 215 表3 200m3發(fā)酵罐的幾何尺寸項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注公稱體積200設(shè)計條件全體積215計算罐體直徑 4900計算發(fā)酵罐總高14150計算發(fā)酵罐筒體高度11620計算3罐體主要部件尺寸的設(shè)計計算3.1 罐體考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇

15、罐體材料和封頭材料，封頭結(jié)構(gòu)、與罐體連接方式。因為發(fā)酵液有微腐蝕性，罐體和封頭都使用16MnR鋼為材料，封頭設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，因D>500mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。3.2 罐體壁厚，取11mmD罐體直徑（mm）p耐受壓強 (取0.4MPa) 設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力（kgf/c）（16MnR鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150，170MPa）C 腐蝕裕度，當(dāng) C<10mm時，C3mm3.3 封頭壁厚計算，取20mm。D罐體直徑（mm） p耐受壓強 (取0.4MPa)y開孔系數(shù)，取2.3 設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力（16MnR鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150，170MPa）3.4 攪

16、拌器采用渦輪式攪拌器，選擇攪拌器種類和攪拌器層數(shù)，根據(jù)d確定h和b的值尺寸：六平葉渦輪式攪拌器已標(biāo)準(zhǔn)化，稱為標(biāo)準(zhǔn)型攪拌器；攪動液體的循環(huán)量大，攪拌功率消耗也大；根據(jù)攪拌器葉徑為葉寬B為盤徑為葉弧長L為底距C人孔的設(shè)置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設(shè)備內(nèi)部的裝置。本次設(shè)計只設(shè)置了1個人孔，標(biāo)準(zhǔn)號為： 人孔RF（R·G）450-0.6 HG21522-1995，公稱直徑450，開在頂封頭上，位于左邊軸線離中心軸750mm處視鏡用于觀察發(fā)酵罐內(nèi)部的情況。本次設(shè)計只設(shè)置了2視鏡，直徑為DN80，開在頂頭上，位于前后軸線離中心軸750mm處，標(biāo)記為視鏡 PN1.0 DN80 HGJ501-86-

17、17封進料口為例計算，設(shè)發(fā)酵醪液流速為，5h 排盡。發(fā)酵罐裝料液體積：V1 =物料體積流量，則排料管截面積，又，得d=0.106m，取無縫鋼管，查閱資料，平焊鋼管法蘭HG20593-97，取公稱直徑100，。其他管道也是如此計算。3.6.1 管道接口（采用法蘭接口）進料口：直徑，開在封頭上，排料口：，開在罐底；進氣口：，開在封頭上；排氣口：，開在封頭上；冷卻水進、出口：，開在罐身；補料口：，開在封頭上；取樣口：，開在封頭上；3.6.2 儀表接口溫度計；裝配式熱電阻溫度傳感器Pt100型，D100mm，開在罐身上；壓力表；彈簧管壓力表（徑向型），d1=20mm，精度2.5，型號：，開在封頭上；液

18、位計：采用標(biāo)準(zhǔn)： 型號： 直徑：，開在罐身上；溶氧探頭：；pH探頭：型；表4  發(fā)酵罐主要部件尺寸的設(shè)計計算結(jié)果項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注罐體材料16MnR鋼由工藝條件確定焊接方式雙面縫焊接由工藝條件確定罐體筒壁厚計算封頭壁厚計算攪拌器類型六彎葉渦輪式攪拌器根據(jù)參考文獻3選取攪拌葉直徑計算攪拌器層數(shù)2由工藝條件確定人孔1個，標(biāo)準(zhǔn)號HG21522-1995根據(jù)參考文獻3選取視鏡2個，標(biāo)準(zhǔn)號HGJ501-86-17根據(jù)參考文獻3選取進、排料口直徑根據(jù)參考文獻3選取進、出氣口直徑根據(jù)參考文獻3選取冷卻水進、出口直徑由工藝條件確定補料口直徑根據(jù)參考文獻3選取取樣口直徑由工藝條件確定溫度計裝配式

19、熱電阻溫度傳感器Pt100型，D100mm壓力表液位計溶氧探頭pH探頭型4冷卻裝置設(shè)計4.1 冷卻方式發(fā)酵罐容量大，罐體的比表面積小。夾套不能滿足冷卻要求，使用蛇管冷卻，綜合比較列管的冷卻效果好，在使用水作冷卻介質(zhì)時，選用列管。4.2 裝液量設(shè)計發(fā)酵罐裝料系數(shù)：取75%發(fā)酵罐裝料液體積：不計算下封頭時的裝液體積：裝液高度：單位時間傳熱量發(fā)酵熱×裝料量 即：4.3 冷卻水耗量由實際情況選用進出口水溫為20 、27，則Q單位時間傳熱量Cp冷卻水的平均比熱，取4.186 kJ/ (kg ·) t2-t1冷卻水進出口溫度差 4.4 冷卻面積 發(fā)酵液溫度31，冷卻水進口溫度20，出口

20、溫度27，則平均溫度差為：根據(jù)實際取200 m2tm 對數(shù)平均溫度差K傳熱總系數(shù)，取3 kJ/(m2·h·)冷卻面積() A=dL 冷卻蛇管總長度(m)d蛇管內(nèi)徑，d外徑壁厚 取110mm（徑取5080mm，壁厚取3.55mm ）每圈蛇管長度D蛇管圈直徑，m每組蛇管圈數(shù)蛇管總高度表5 200發(fā)酵罐冷卻裝置設(shè)計計算結(jié)果項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注裝料系數(shù)75%由工藝條件確定裝料體積計算裝料高度計算總發(fā)酵熱計算冷卻水耗量計算冷卻面積計算冷卻蛇管總長度計算冷卻蛇管總高度計算蛇管組數(shù)10組由工藝條件確定每組蛇管圈數(shù)5圈計算5攪拌器軸功率的計算0取發(fā)酵醪液黏度，密度，攪拌轉(zhuǎn)速則

21、雷諾準(zhǔn)數(shù)因為Re，所以發(fā)酵系統(tǒng)充分湍流狀態(tài)，即有效功率系數(shù)魯士頓(Rushton J. H.)公式：P0無通氣攪拌輸入的功率（W）；功率準(zhǔn)數(shù)，是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)；圓盤六彎葉渦輪 NP渦輪轉(zhuǎn)速（r/min）；液體密度（kg/m3）因發(fā)酵液不同而不同，一般取8001650 kg/m3 ；渦輪直徑（m）；對于多層攪拌器的軸功率可按下式估算：m-攪拌器層數(shù)。因為是非牛頓流體，所以用以下公式計算C系數(shù)，多層攪拌輸入的功率（kW）渦輪轉(zhuǎn)速（r/min），取142r/min渦輪直徑（m），mQ通氣量（/min），計算根據(jù)攪拌功率選用電動機時，應(yīng)考慮傳動裝置的機械效率。攪拌軸功率軸封摩擦損失功率，一般為

22、傳動機構(gòu)效率根據(jù)生產(chǎn)需要選擇三角皮帶電機。三角皮帶的效率是 0.92，滾動軸承的效率是 0.99，滑動軸承的效率是0.98，端面軸封摩擦損失功率為攪拌軸功率的 1%，則電機的功率攪拌軸直徑，n為轉(zhuǎn)速（單位為轉(zhuǎn)/分），系數(shù)A可以取97-149，取已知，根據(jù)文獻選軸徑為200mm。表6  發(fā)酵罐攪拌功率的設(shè)計計算結(jié)果項目及代號參數(shù)及結(jié)果備注轉(zhuǎn)速根據(jù)參考文獻3選取不通氣條件下的軸功率計算多層攪拌器軸率通氣量由工藝條件確定通氣攪拌功率計算電機的功率計算電機的選擇型號Y315L2-8功率轉(zhuǎn)速根據(jù)參考文獻3選取軸徑根據(jù)參考文獻3選取傳動裝置三角皮帶根據(jù)參考文獻3選取三角皮帶型號和根數(shù)根據(jù)參考文獻3選取小皮帶輪直徑根據(jù)參考文獻3選取大皮帶輪直徑根據(jù)參考文獻3選取5.4 主要符號說明表7 主要符號說明符號意義單位糖液體積發(fā)酵罐總?cè)莘e發(fā)酵罐個數(shù)個直徑換熱面積葉寬底距葉弦長葉距雷諾數(shù)轉(zhuǎn)速r/min 或 r/s攪拌功率準(zhǔn)數(shù)軸功率電機功率冷卻水比熱容冷卻管總截積冷卻水體積流量壁厚壓力壁厚附加量焊縫系數(shù)6設(shè)計小結(jié)在此次課程設(shè)計中，我設(shè)計了機械通風(fēng)發(fā)酵罐，該反應(yīng)器利用黑曲霉菌株菌種進行糖化酶的發(fā)酵生產(chǎn)，發(fā)酵溫度為，反應(yīng)器的材料為1