黑曲霉菌株發(fā)酵生產(chǎn)糖化酶發(fā)酵罐設(shè)計(jì)

1、目錄第一章 緒論 0第二章 罐體幾何尺寸的確定1夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu)1幾何尺寸的確定1第三章 罐體主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算3罐體 4罐體壁厚4人孔和視鏡4接口管 5管道接口（采用法蘭接口）5儀表接口5第四章 冷卻裝置設(shè)計(jì)6冷卻方式6裝液量 6冷卻水耗量7冷卻面積7第五章 攪拌器軸功率的計(jì)算9不通氣條件下的軸功率P0 9通氣攪拌功率Pg的計(jì)算9電機(jī)及變速裝置選用10第六章 結(jié)論 11參考文獻(xiàn)11第一章緒論我設(shè)計(jì)的是一臺(tái)30M機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，發(fā)酵生產(chǎn)糖化酶糖化酶生產(chǎn)菌重要的有：雪白根霉，德氏根霉，河內(nèi)根霉，爪哇根霉，臺(tái)灣根霉， 臭曲霉，黑曲霉，河棗曲霉，宇佐美曲霉，紅曲霉，扣囊擬內(nèi)抱霉，泡盛曲霉

2、，頭抱霉， 甘薯曲霉，羅耳伏革菌。C, pH為，培養(yǎng)基為玉米粉,玉米漿2%豆餅粉2%&成。主要生產(chǎn)工藝過(guò)程為如下：菌種用蔡式蔗糖斜面于32c培養(yǎng)6天后，移植在以玉米 粉，玉米漿2%組成的一級(jí)種子培養(yǎng)基中，與 32c搖瓶培養(yǎng)24-36h,再接入（接種量 1%種子罐（培養(yǎng)基成分與搖瓶發(fā)酵相同），并與32c通氣培養(yǎng)攪拌24-36h,然后再接 入（接種量5%-7%發(fā)酵罐。發(fā)酵培養(yǎng)基由玉米粉 ,玉米漿2%豆餅粉2%&成（先用 a-淀粉酶液化），發(fā)酵溫度為32C,在合適的通氣攪拌條件下發(fā)酵 96小時(shí)酶活性可達(dá) 6000u ml-1 。發(fā)酵液濾去菌體，如有影響糖化效率的葡萄糖甘轉(zhuǎn)移酶存在，則

3、通過(guò)調(diào)節(jié)濾液PH等方法使其除去，再通過(guò)濃縮將酶調(diào)整到一定單位，并加入防腐劑（如苯甲酸） 。如制 備粉狀糖化酶，則可通過(guò)鹽析或加酒精使酶沉淀，沉淀經(jīng)過(guò)壓濾，濾泥再通過(guò)壓條烘干， 粉碎，即可制成商品酶粉。發(fā)酵罐主要由罐體和冷卻蛇管，以及攪拌裝置，傳動(dòng)裝置，軸封裝置，人孔和其它的一些附件組成。這次設(shè)計(jì)就是要對(duì) 20M3!風(fēng)發(fā)酵罐的幾何尺寸進(jìn)行計(jì)算；考慮壓力， 溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料，確定罐體外形、罐體和封頭的壁厚；根據(jù)發(fā)酵微生物 產(chǎn)生的發(fā)酵熱、發(fā)酵罐的裝液量、冷卻方式等進(jìn)行冷卻裝置的設(shè)計(jì)、計(jì)算；根據(jù)上面的 一系列計(jì)算選擇適合的攪拌裝置，傳動(dòng)裝置，和人孔等一些附件的確定，完成整個(gè)裝備圖，完成這次

4、設(shè)計(jì)。這次設(shè)計(jì)包括一套圖樣，主要是裝配圖，還有一份說(shuō)明書。而繪制裝配圖是生物工 程設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)核心內(nèi)容，繪制裝配圖要有合理的選擇基本視圖，和各種表達(dá)方式， 有合理的選擇比例，大小，和合理的安排幅面。說(shuō)明書就是要寫清楚設(shè)計(jì)的思路和步驟。表1-1發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)條件項(xiàng)目及代號(hào)參數(shù)及結(jié)果備注1工作壓力由工藝條件確定設(shè)計(jì)壓力由工藝條件確定發(fā)酵溫度（工作溫度）33 C根據(jù)參考文獻(xiàn)1選取冷卻方式蛇管冷卻由工藝條件確定/口加小玉米粉,玉米漿2%豆餅粉2%a成根據(jù)參考文獻(xiàn)1選取發(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第二章罐體幾何尺寸的確定夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu)夾套反應(yīng)釜主要由攪拌容器，攪拌裝置，傳動(dòng)裝

5、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(jì)而定；傳動(dòng)裝 置是為為帶動(dòng)攪拌裝置設(shè)置的，主要由電機(jī)，減速器，聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸等組成；軸封裝 置為動(dòng)密封，一般采用機(jī)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。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=,則H= 初步設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)條件給出的是發(fā)酵罐的公稱體積（30M3）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 V1

6、 -D2hb -D2ha -D2（hb 1 D）4646V0 -D2 H 2 hb -D（近似公式）46假設(shè)Ho/D 2 ,根據(jù)設(shè)計(jì)條件發(fā)酵罐的公稱體積為 30M32 3由公稱體積的近似公式V/4 D H0 0.15D可以計(jì)算出罐體直徑，D=罐體總高度取整為6480查閱文獻(xiàn)2),當(dāng)公稱直徑DN 2600mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的曲面高度 ha 1/4D 575mm，直邊高度hb 40mm ,總深度為Hf 690mm,內(nèi)表面積Af 7.65m2 , 容積 Vf 2.51m3可得罐筒身高H0 H 2Hf 6480 2 690 5100mm則此時(shí)H0/D 5100/2600 1.961538462,與前

7、面的假設(shè)Ho/D 2相近，故可認(rèn)為D 2600mm是合適的發(fā)酵罐的全體積V TtAD2H。2Vf 冗/4 26002 5100 2 2.51 32.097m3 30.0m3攪拌葉直徑取 Di 800mm,其中 Di/D 800/2600 0.31 符合 Di/D 1/2 1/3根據(jù)文獻(xiàn)網(wǎng)攪拌葉問(wèn)距S 2Di 2 800 1600mm底攪拌葉至底封頭高度C Di 800mm表2-1大中型發(fā)酵罐技術(shù)參數(shù)3 mH(mm)mmr/minkw10320018001215021470022002115430306600240034180455070002800-300038-601605560800030

8、00-3200651606575800032008416510010094003600114170130200115004600221142215表2-2 30m 3發(fā)酵罐的幾何尺寸m330設(shè)計(jì)條件全體積m332計(jì)算罐體直徑mm2600計(jì)算發(fā)酵罐總高mm6500計(jì)算發(fā)酵罐筒體高度mm5100計(jì)算攪拌葉直徑mm800計(jì)算橢圓封頭短半軸長(zhǎng)mm650計(jì)算橢圓封頭直邊高度mm40計(jì)算底攪拌葉至封頭高度 mm800計(jì)算攪拌葉間距mm1600計(jì)算第三章罐體主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算罐體考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材料，封頭結(jié)構(gòu)、與罐體連接方式。因糖化酶是偏酸性（pH值為），對(duì)罐體不會(huì)有太大腐蝕

9、，所以罐體和圭頭都使用16MnR 鋼為材料，封頭設(shè)計(jì)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。0.3 26002 170 0.8 0.35.87 mm ,取 6mm罐體壁厚i pD C mm2 PD罐體直徑（mrmp-耐受壓強(qiáng)（取小一焊縫系數(shù)，雙面焊取設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（kgf/c m2） （16MnRffi焊接壓力容器許用應(yīng)力為150C, 170MPa C 腐蝕裕度，當(dāng) 6 -C<10mrftf, C= 3mm封頭壁厚計(jì)算立 Cmm 0.3 2600 2.3 3 9.6mm,取 10mm。22 170 0.8D罐體直徑（mrmP耐受壓強(qiáng)（取K開孔系

10、數(shù)，取-焊縫系數(shù)，雙面焊取（T 設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力（16MnRffl焊接壓力容器許用應(yīng)力為150C, 170MPa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(biāo)準(zhǔn)化，稱為標(biāo)準(zhǔn)型攪拌器；攪動(dòng)液體的循環(huán)量大，攪拌3 . . 一，一功率消耗也大；查閱文獻(xiàn)2可知30M發(fā)酵罐米用6-6-6彎葉式攪拌葉，葉徑d 800mm, 則可以計(jì)算出盤徑 d 0.75d 600mm,葉高 h 0.3d 240mm葉長(zhǎng) b 0.25d 200mm人孔和視鏡人孔的設(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(jì)只設(shè)置了 1個(gè)人孔，查閱文獻(xiàn)，選取標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為：H

11、G21518-95、公稱壓力 為、直徑為500mm高度為393mm勺人孔，開在頂封頭上，位于左邊軸線離中心軸500mm 處視鏡用于觀察發(fā)酵罐內(nèi)部的情況。本次設(shè)計(jì)只設(shè)置了 1個(gè)視鏡，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)HG21505-1992直徑為DN=100mr高度為52mm開在頂封頭上，位于右邊軸線離中心軸 500mnmt,與人孔位于同一水平線上接口管以進(jìn)料口為例計(jì)算，設(shè)發(fā)酵醪液流速為v 1m/s, 2h排盡。發(fā)酵罐裝料液體積：V 0 0.8 32 25.6m3物料體積流量 Q V1/2h 25.6/ 3600 20.00356m2/s ,則排料管截面積 F Q/v 0.00356/1 0.00356m2 ,又F 0.7

12、85d2,得d=,取無(wú)縫鋼管，查閱資料3,平焊鋼管法蘭HG20593-97取公稱直徑80mm 80 4mm。其他管道也是如此計(jì)算。管道接口（采用法蘭接口）進(jìn)料口：直徑角度與水平線夾角45度，開在封頭上，大約人孔與視鏡中間，角度垂直；排料口：80 4mm,開在罐底中間通風(fēng)管旁；進(jìn)氣口：80 4mm,開在封頭上，角度與水平線夾角 45度；排氣口 ：80 4mm ,開在封頭上進(jìn)氣口以封頭跟人孔中心連線為對(duì)稱軸的對(duì)稱位置上，角度與水平線夾角45度；冷卻水進(jìn)、出口：80 4mm,開在罐身，角度與水平線夾角 45度；補(bǔ)料口：80 4mm,開在封頭上，角度與水平線夾角 45度；取樣口：80 4mm,開在封頭

13、上，角度與水平線夾角 90度；儀表接口溫度計(jì)；裝配式熱電阻溫度傳感器 Pt100型，D= 100mm開在罐身上；壓力表；彈簧管壓力表（徑向型），d1=20mm精度，型號(hào)：Y 250Z,開在封頭上；液位計(jì)：采用標(biāo)準(zhǔn)：HG5 1368型號(hào)：R 61 直徑：550（260 14）mm,開在罐身上；溶氧探頭：SE N DO F; pH探頭：PHS 2型；表3-1發(fā)酵罐主要部件尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果罐體材料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6mm封頭壁厚10mm計(jì)算攪拌器類型六彎葉渦輪式攪拌器根據(jù)參考文獻(xiàn)3選取攪拌葉直徑800mm計(jì)算攪拌器層數(shù)3由工藝條件確定人孔1 個(gè)，標(biāo)# HG

14、21518-95根據(jù)參考文獻(xiàn)3選取視鏡1 個(gè)，標(biāo)七 HG21505-1992根據(jù)參考文獻(xiàn)3選取進(jìn)、排料口直徑80 4mm根據(jù)參考文獻(xiàn)3選取進(jìn)、出氣口直徑80 4mm根據(jù)參考文獻(xiàn)3選取冷卻水進(jìn)、出口直徑80 4mm由工藝條件確定補(bǔ)料口直徑80 4mm根據(jù)參考文獻(xiàn)3選取取樣口直徑80 4mm由工藝條件確定溫度計(jì)裝配式熱電阻溫度傳感器Pt100D= 100mm壓力表Y 250Z液位計(jì)R 61溶氧探頭SE N DO FpH探頭PHS 2 型第四章冷卻裝置設(shè)計(jì)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，使用 水作冷卻介質(zhì)。裝液量設(shè)計(jì)發(fā)酵罐裝料系數(shù)：取80%發(fā)酵罐裝料液體積

15、：V1 全體積裝料系數(shù) 32 80% 25.6m3不計(jì)算下封頭時(shí)的裝液體積：V柱Vi下封頭體積V柱 Vi-下封頭體積25.6 2.5 23.1m3裝液高度：h1 V柱 /ud2/423.1/ 0.785 2.624.353m單位時(shí)間傳熱量=發(fā)酵熱X裝料量即：Q Q 發(fā) V1 16800 25.6 430080kJ/h表4-1各類發(fā)酵液的發(fā)酵熱(kJ/ m3 - h)青霉素絲狀菌23000青霉素球狀菌13800鏈霉素18800四環(huán)素25100紅霉素26300谷氨酸293003340011700黑曲霉16800冷卻水耗量由實(shí)際情況選用進(jìn)出口水溫為 20c、26C,則430080Cp t2 t14.

16、18626 2017123.74582 kg / hQ單位時(shí)間傳熱量Cp冷卻水的平均比熱，取kJ/(kg C) t2-t 1 冷卻水進(jìn)出口溫度差對(duì)數(shù)平均溫度差，由工藝條件知道tF=33 C,tF t1tF t2tm tF t12.303lg tF t233 2033 26-一 m 9.69oC33 202.303lg33 26t1 冷卻水進(jìn)口溫度t2 冷卻水出口溫度 tF發(fā)酵溫度冷卻面積QA K tm4300801.9 103 9.6923.36 m2 tm 對(duì)數(shù)平均溫度差K傳熱總系數(shù)，取 103 kJ/(m 2 h C)冷卻面積(m2)A=tt dL冷卻蛇管總長(zhǎng)度(m)A 23 36L 14

17、8.79m,取整L 150m,分為4組，每組長(zhǎng)L0 37.5m冗 d 3.14 0.05d 蛇管內(nèi)徑，d =外徑一壁厚取57X(徑取5080mm壁厚取一5mm)每圈蛇管長(zhǎng)度l,(Dp)2 hp2 . (3.14 3)2 0.152 9.42mD蛇管圈直徑，3mhp 蛇管圈之間的距離，取每組蛇管圈數(shù)Np 5 375 4圈，則總?cè)?shù)為4X4=16圈p l 9.42蛇管總高度 H Np 1 hp16 1 0.15 2.25mp p表4-2 20 m3發(fā)酵罐冷卻裝置設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果裝料系數(shù)80%由工藝條件確定裝料體積計(jì)算裝料高度4.353m計(jì)算總發(fā)酵熱430080kJ/h計(jì)算冷卻水耗量kJ/h計(jì)算冷卻面積

18、計(jì)算冷卻蛇管總長(zhǎng)度150m計(jì)算冷卻蛇管總高度計(jì)算蛇管組數(shù)4組由工藝條件確定每組蛇管圈數(shù)4圈計(jì)算第五章攪拌器軸功率的計(jì)算1020kg/m3 ,攪拌轉(zhuǎn)速不通氣條件下的軸功率R取發(fā)酵醪液黏度 1.96 10 3N s/m2 ,密度200r / min則雷諾準(zhǔn)數(shù)200/60 0.83 1020 ° c “5z 8.8 101.96 10 3因?yàn)镽e> 4000,所以發(fā)酵系統(tǒng)充分湍流狀態(tài)，此時(shí) X=0, Np K Rex Fg y在 全擋板條件下，液面未出現(xiàn)漩渦，即 y=0,則Nkk,查文獻(xiàn)4得Np=K=魯士頓（Rushton J. H.） 公式：33_ 52005P0Np 3LDi4.

19、81020 0.8559.42kwp60Po無(wú)通氣攪拌輸入的功率（W；Np功率準(zhǔn)數(shù)，是攪拌雷諾數(shù) ReM勺函數(shù)；圓盤六彎葉渦輪 NP=一渦輪轉(zhuǎn)速（r/min ）;l液體密度（kg/m3）因發(fā)酵液不同而不同，一般取 800-1650 kg/m3 ；Di 渦輪直徑（m;由于工業(yè)發(fā)酵罐一般在同一軸上安裝很多層攪拌器又由于H=64800mm攪拌葉間距 S=1600mm得m<H/S4,取m=3Pm P0 0.4 0.6m59.42 0.4 0.6 3130.724kwm攪拌器層數(shù)。通氣攪拌功率Pg的計(jì)算因?yàn)槭欠桥ｎD流體，所以用以下公式計(jì)算23 0.45P C Pm Di g0.56QC系數(shù)，D/D

20、i3時(shí)，取Pm多層攪拌輸入的功率（kW一渦輪轉(zhuǎn)速（r/min ）,取200 r/minDi 渦輪直徑（項(xiàng)，Q通氣量（ m3/min）, 取 1 6 m3/min , 取 m3 min0.4523PmDi計(jì)算PgC 0.56 Q0.157 59.422 2 0 0 081.420.560.4545.572kW電機(jī)及變速裝置選用根據(jù)攪拌功率選用電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率。Pg 攪拌軸功率 耳軸封摩擦損失功率，一般為i%PgT傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率根據(jù)生產(chǎn)需要選擇三角皮帶電機(jī)。三角皮帶的效率是,滾動(dòng)軸承的效率是，滑動(dòng)軸承的效率是，端面軸封摩擦損失功率為攪拌軸功率的1%,則電機(jī)的功率Pg PT 49.85P 1 1%51.57kw0.92 0.99 0.98攪拌軸直徑d A (P/n)"3,n為轉(zhuǎn)速(單位為轉(zhuǎn)/分)，系數(shù)A可以取97-149 ,取 A 100,一一. 51 57 13 已知 P 51.57kw,n 200r/min,則得d 100 :63.64mm,根據(jù)文200獻(xiàn)選軸徑為85mm表4