200立方米潔霉素機械通風發(fā)酵罐設計

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

2、六 撰寫課程設計說明書13周周日 裝配圖繪制指導教師 年 月 日 200M3機產(chǎn)潔霉素機械攪拌生物反應器設計摘要 ： 潔霉素發(fā)酵生產(chǎn)是典型的微生物次級代謝過程，生物反應發(fā)酵機理復雜。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)潔霉素的主要反應設備作了設計和計算，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，冷卻設備的計算等。Abstract: lincomycin fermentation is the typical microorganism secondary metabolism pro

3、cess,the biological reaction mechanism of complex fermentation.Lincomycin and clindamycin hydrochloride,Jimin Lectra,lincomycin, lincocin,lincomycin,clindamycin,Luo lincomycin hydrochloride,room temperature is a white crystalline powder.The forest Kelian mold production of lincomycin main reaction e

4、quipment in the design and calculation,including determination of size of fermentation tank and the main components of the selection and calculation of power,agitator,and the calculation of cooling equipment.關鍵詞： 潔霉素 發(fā)酵罐 攪拌器Keywords: lincomycin fermentation blender 目 錄1 概述1 1.1發(fā)酵罐設計前景1 1.2微生物生物反應器的研

5、究與應用概述1 1.3微生物反應器的研究和應用進展2 1.4設計方案的擬定 22 罐體幾何尺寸的確定42.1夾套反應釜的總體構(gòu)42.2 幾何尺寸的確定43 罐體主要部件尺寸的設計計算53.1 罐體53.2 罐體壁厚53.3 封頭壁厚計算53.4 攪拌器53.5人孔和視鏡63.6接口管63.6.1 管道接口63.6.2 儀表接口74 冷卻裝置設計84.1 冷卻方式84.2 裝液量84.3 冷卻水耗量84.4 冷卻面積85 攪拌器軸功率的計算105.1不通氣條件下的軸功率P0計算105.2通氣攪拌功率Pg的計算105.3電機及變速裝置選用11 5.4主要符號說明126 設計小結(jié)137 參考文獻14

6、1概述1.1發(fā)酵罐設計前景生物反應器是多學科交叉的生物技術(shù)領域，是21世紀生物工程發(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的裝置系統(tǒng)，其設計、放大是生化反應工程的中心內(nèi)容。從反應過程上看，生物反應器根據(jù)培養(yǎng)對象的不同可分為以下幾種。微生物反應器和酶反應器。微生物反應器是生產(chǎn)中最基本也是最主要的設備，其作用就是按照發(fā)酵過程的工藝要

7、求，保證和控制各種生化反應條件，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。酶反應器可分游離酶及固定化酶反應器兩大類。細胞生物反應器。動物細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，因此動植物細胞反應器的設計遠較微生物反應器復雜。轉(zhuǎn)基因動植物生物反應器。目前，動物生物反應器中研究與應用較多的是乳腺生物反應器，該類反應器基于轉(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，在動物的乳汁中生產(chǎn)一些具有重要價值的產(chǎn)品。植物生物反應器主要是指利用轉(zhuǎn)基因植物來生產(chǎn)蛋白質(zhì)和次

8、生代謝產(chǎn)物等工程產(chǎn)品。1.2 微生物生物反應器的研究與應用概述微生物反應器和酶反應器發(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用 ；在反應器結(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)的生物反應器等 ；在生物催化劑在反應器中的分布方式上，目前已發(fā)展了生物團塊反應器和生物膜反應器，其中生物團塊反應器根據(jù)催化劑相態(tài)的不同又發(fā)展了填充床、流化床、生物轉(zhuǎn)盤等多種型式的生物反應器 ；在反應器內(nèi)的流動和混合狀態(tài)上，目前生

9、物反應器已發(fā)展至全混流型生物反應器和活塞流型生物反應器。微生物反應器的研究和開發(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 反應器中進行 ；中試階段 5 500L 規(guī)模小型反應器，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。酶反應器和下述的細胞生物反應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，盡管生物反應過程相同，但規(guī)模的不同使反應溶液的混合狀態(tài)、傳質(zhì)與傳熱速率等不盡相同，如何讓微生物、酶、細胞充分與外界接觸并完成生化過程，達到足夠高的反應效率，在工藝上都會有許多新的困難。反應器類型的

10、多樣性和工藝的復雜性一方面提高了反應器研究和應用的難度，另一方面也給生物反應器的研究和發(fā)展帶來了巨大的空間。例如，近年來，膜生物反應器在污水處理中的研究和應用不斷發(fā)展。1.3 微生物反應器的研究和應用進展膜生物反應器在污染處理中的應用是近年來微生物反應器的研究和應用進展的代表性技術(shù)之一。除此之外，結(jié)合數(shù)學、動力學、化工工程原理、計算機等技術(shù)研究微生物反應器和酶反應器中的生化過程，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）、細胞破壁技術(shù)（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等）、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

11、應器設計水平的提高。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)展和應用。1.4設計方案的擬定 我設計的是一臺200M3機產(chǎn)潔霉素機械攪拌生物反應器 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

12、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)基與有關設備必須進行嚴格滅菌，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由工藝條件確定設計壓力0.4MPa由工藝條件確定發(fā)酵溫度（工作溫度）31根據(jù)參考文獻1選取設計溫度150由工藝條件確定冷卻方式蛇管冷卻由

13、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2.1夾套反應釜的總體結(jié)構(gòu) 夾套反應釜主要由攪拌容器，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計而定；傳動裝置是為為帶動攪拌裝置設置的，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；高徑比H/D=2.9，則H=2.9D初步設計：設

14、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，根據(jù)設計條件發(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】 ，當公稱直徑時，標準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接近，故可認為是合適的發(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 21 4700 2200 21 154 30

15、 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計計算3.1 罐體 考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材料，封頭結(jié)構(gòu)、與罐體連

16、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，封頭設計為標準橢圓封頭，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) 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8 設計溫度下的許用應力（kgf/c）（16MnR鋼焊接壓力容器許用應力為150，170MPa）C 腐蝕裕度，當 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 焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8 設計溫度下的許用應力（16MnR鋼焊接壓力容器許用應力為150，170MP

17、a）3.4 攪拌器 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準化， 稱為標準型攪拌器；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C3.5人孔和視鏡人孔的設置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設備內(nèi)部的裝置。 本次設計只設置了1個人孔，標準號為： 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。本次設計只設置了2視鏡，直徑為DN80，開在頂頭上，位于前后軸線離中心軸750mm處，標記為視

18、鏡 PN1.0 DN80 HGJ501-86-173.6接口管封進料口為例計算，設發(fā)酵醪液流速為，5h 排盡。發(fā)酵罐裝料液體積：V1 =161.25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

19、表；彈簧管壓力表（徑向型），d1=20mm，精度2.5，型號：，開在封頭上； 液位計：采用標準： 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，標準號HG21522-1995根據(jù)參考文獻3選取視鏡2個，標準號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

20、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 ·

21、) 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，4.2mhp 蛇管圈之間的距離，取0.1m每組蛇管圈數(shù)蛇管總高度 表5  200發(fā)酵罐冷卻裝置設計計算結(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

22、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5.1不通氣條件下的軸功率P0 取發(fā)酵醪液黏度，密度，攪拌轉(zhuǎn)速則雷諾準數(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)=4.7魯士頓(Rushton J. H.)公式：P0無通氣攪拌輸入的功率（W）；功率準數(shù)，是攪拌雷諾數(shù)ReM的函數(shù)；圓盤六彎葉渦輪 NP4.7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)。5.2通氣攪拌功率Pg的計算因為是非牛頓流體，所以用以下

23、公式計算C系數(shù)， 時，取0.157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），1.63mQ通氣量（/min），計算5.3電機及變速裝置選用根據(jù)攪拌功率選用電動機時，應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)酵罐攪拌功率的設計計算結(jié)果項目及代號

24、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設計小結(jié) 在此次課程設計中，我設計了機械通風發(fā)酵罐，該反應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，反應器的材料為16MnR鋼；采用渦輪六彎葉式L兩層攪拌器，利用110kw電動機通過110mm的軸驅(qū)動；冷卻方式為蛇管冷卻，冷卻蛇管總長為640m，分為10組。 通過這次設計，我