產(chǎn)20噸硫酸慶大霉素發(fā)酵罐設計

aaaa1前言噸慶大霉素的機械通風發(fā)酵罐初步設加辯n用乙口.冷卻水出口培養(yǎng)液無?？?放科口發(fā)酵舞的結(jié)構(gòu)示意圖電動機冷卻水進口加辯n用乙口.冷卻水出口培養(yǎng)液無?？?放科口發(fā)酵舞的結(jié)構(gòu)示意圖電動機冷卻水進口 pH臉囊及控制裝置生物反應工程與設備課程設計是生物工程專業(yè)一個重要的、綜合性的實踐教學環(huán)節(jié)，要求綜合運用所學知識如生化反應工程與生物工程設備課程來解決生化工程實際問題，對培養(yǎng)我們?nèi)娴睦碚撝R與工程素養(yǎng)，健全合理的知識結(jié)構(gòu)具有重要作用。發(fā)酵罐是發(fā)酵設備中最重要、應用最廣的設備，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，市面上出現(xiàn)了種類繁多、功能更加完備的新型發(fā)酵罐。如何選擇或者設計一種合適的發(fā)酵罐將會成為一個研究熱點。本文旨在通過相應的參數(shù)計算和設備計算完成年產(chǎn)20計。2常見的發(fā)酵罐機械攪拌通風發(fā)酵罐機械攪拌發(fā)酵罐是利用機械攪拌器的作用，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。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機械通風發(fā)酵罐氣升式發(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，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而含氣率小的發(fā)酵液下沉，形成循環(huán)流動，實現(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。削鼾氣升式新新播工克制德礴0寸式、空氣噴射式等。削鼾氣升式新新播工克制德礴0寸圖2氣升式發(fā)酵罐原理圖自吸式發(fā)酵罐自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。葉輪旋轉(zhuǎn)時葉片不斷排開周圍的液體使其背側(cè)形成真空，由導氣管吸入罐外空氣。吸入的空氣與發(fā)酵液充分混合后在葉輪末端排出，并立即通過導輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折流涌向液面，均勻分布。與機械發(fā)酵罐相比，有一個特殊的攪拌器，但沒有通氣管。罐為負壓，易染菌，當轉(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=20t(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：um=14。。單位/毫升(5)成品效價：%=580單位/毫克(6)提煉總效率：np=87%(7)每年按300天計算，每天24小時連續(xù)運行。(8)裝料系數(shù)：中=75%4工藝計算

_1000義20*580―300義1400義87%=31.75m3d發(fā)酵罐公稱容積V和臺數(shù)的確定0vV_31.75_424V=—d—= =42.4m30n?。1x0.75d按照國內(nèi)發(fā)酵罐系列取V=50m30n：每天放罐系數(shù)，取n=1罐；d d0：發(fā)酵罐裝料系數(shù)，。=75%；發(fā)酵罐總臺數(shù)n=nx發(fā)酵周期dn=1x6=6(臺)發(fā)酵周期=每罐批發(fā)酵時間+輔助時間輔助時間=進料時間+滅菌操作時間+移種時間+放罐壓料時間+清洗檢修時發(fā)酵罐實際產(chǎn)量凡x20=23.58噸；年42.4 ；"58'1000二78.6千克洋，臺3004.4每噸產(chǎn)品需要的發(fā)酵液量50x0.75 =477.10m3/10.07864.1由年產(chǎn)量決定每天放罐發(fā)酵液體積Vd1000GN二m^np

4.5機械通風發(fā)酵罐的高度和直徑DY1.2時，一般使用HD=1.75—2DA1.2時，HD=2-3確定發(fā)酵罐的高度和直徑：設發(fā)酵罐的圓筒體積為1,封底體積為％V=V+V0筒底0404240.4義310 +0.28=0.98cm2義127*0.7一0.4WH=1.95D3.14 3.14義2n即3.14 3.14義2n即 義1.95D3+ D3=50m4.6.2封頭壁厚計算24hb-橢圓封頭的直邊高度叫取D=3.1mh=0.05mbH=6.0m其中，h-橢圓封頭短半軸長度,a其中，D為發(fā)酵罐公稱直徑，H是發(fā)酵罐圓筒1高。h=-D=0.77高。a44.6機械發(fā)酵罐壁厚的計算

標準橢圓封頭的厚度計算公式如下：4.6.1計算法確定發(fā)酵罐的壁厚S1PD2【o】①一P+C(cm)PDS= +C(cm)12【o】①一P

式中，P=0.4MpaD=310crm[o]式中，式中，=127MpaP—設計壓力，取最高工作壓力的05

C=0.08cm，C=0.2cm，C=0.1cm倍，P=0.4Mpa

C=C+C+C=0.38cm,①=0.7123D一發(fā)酵罐內(nèi)徑，D=310cm

代入上式，得:[o—A3鋼的許用應力[o]=127Mpa

0.4義310 +0.38=1.07cm2義127*0.7一0.4中焊縫系數(shù)，取甲0.7

查鋼材手冊圓整為S=12mm。2c一壁厚附加鼠=C+C+C123

4.7發(fā)酵罐攪拌裝置計算和軸功率計C1—鋼板負偏差,叫二0.8mmC一為腐蝕欲量，取C=2mm

4.7.1攪拌裝置C一加工減薄量，取C=。，代入上式得

發(fā)酵罐的攪拌器一般都采用圓盤C=C+C+C=0.8+2+0=0.28mm123

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；乎葉〉彎葉,箭葉發(fā)酥液中氣含率:平葉＞彎葉＞箭葉箱向混合效果:葡葉＞穹葉＞平葉圖4三種常用渦輪攪拌器攪拌葉形式的選擇是發(fā)酵罐設計中的一個關(guān)鍵。本次設計，由于慶大霉素發(fā)酵過程有中間補料操作，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d=D/3=3.1/3=1.03m取d=1.mi擋板寬B=0.1d=0.lXl=0.1m底距C=d=1.0m攪拌葉間距S=D=3.1m彎葉板厚 6=12mm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)過大量實驗可得功率準數(shù)（N）和攪拌雷諾指數(shù)（R）p e之間的函數(shù)關(guān)系：N=f（R）=P ①pepn3D5iP=Npn3D5pi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）D:攪拌器直徑（米）ip:液體密度（公斤/m3）由化工原理可知：R＞104 湍流eR＜10滯流e4.7.2攪拌軸功率的計算不通風情況的攪拌軸功率不通風情況的攪拌軸功率隨著液體10<T?<1Oio過渡流e曲找曲找FF號掩拌器^式比例尺寸均用血帛W/D'j妮鴕顰黑祀廠3X綠旋槳屏星二R157NT14Q13嫌加第累巫避鵬33]A4蛆旋星岸距=2由2.5-GWT14。門s平第加3533140.1G平葉風輪式2-72-4fl.7-1&無7平葉阻輪式2-?鬻70f-l.fi40.18呼葉科粒式2■；2-4Aaj士箭計漏地式2-7Z-d0,7-L64?04圖5n-R曲線

pe上式公式①只適用于湍流和滯留，過渡流時N不是一個常數(shù)，必須從PNbR曲線查詢。p e當RAl。一屬于湍流區(qū)。此時的流e體（見圖5）稱為牛頓型流體，由上圖實驗得出的曲線來看該區(qū)N不隨A的p e增加而增加，基本上趨于水平線，也就是說N為一常數(shù)。P六平葉渦輪漿N=6.0P六彎葉渦輪漿N=4.7P六箭葉渦輪漿N=3.7P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-R曲線pe圖，線圖計算無通氣時的攪拌率比較方便，算出A,并查的N值，則攪拌功率e p即可由下式計算（生物工廠設計）p=NpN3?05P i上式是根據(jù)"力=3,?。=3,iW/D=0A,B/D=1i若不符合上述條件，可用下面公式校正：P=（嗖）（HD）.p實 3x3功率計算：已知口=170轉(zhuǎn)/分（工廠提供數(shù)據(jù)）D=1.03米,一般D/D=1；2-13本設計取13i i ,p=rg=1050：9.81=107公斤?秒2/米4（r=1.05噸，米3,工廠測定數(shù)據(jù)）N=4.7p由公式1703P=4.7x107x x1.035603=13260.52kgm/s=110.5kW校正得：P二百11."03）x110.5實 3x3=154.3kW根據(jù)一般攪拌器之間的距離S=1.5-2.Di攪拌器個數(shù)=發(fā)酵罐筒體高度

攪拌器間距=62x1.03=2.9個取3個般，三個攪拌器為單個攪拌器的2倍：P=154.3x2=308.6kW實4.7.2通風條件下的攪拌功率①由風速估計通風情況下的攪拌功率將下降，當風速3500kCal/m3h=14700KJ/m3hV:發(fā)酵液體積32m31Q=14700x32=47040CkJ/h熱各種發(fā)酵液發(fā)酵熱見下表：v大于30米/小時，通風功率僅為不通風4.8.2冷卻水量的計算的40-50%發(fā)酵過程，冷卻水系統(tǒng)按季節(jié)氣溫的比熱(冷卻水出口溫度冷卻水入口溫度)470400 比熱(冷卻水出口溫度冷卻水入口溫度)470400 x1.24.18(20-17)比熱(冷卻水出口溫度冷卻水入口溫度)470400x1.24.1(820-10)=13.5t/h貝UP=308.6x45%=138.9kW。實②由經(jīng)驗公式估計密氏公式(生物工廠設計)P2nD3P=K(ni)0.45其中K=0.156g Q0.56308.62x170x1.033

0.156( )0.45= (50x0.75x1.2)0.56=109.1kW設機械傳動效率為0.8則p=109,2=He/kwg0.8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算發(fā)酵熱效應Q.=Q?v熱P1其中Q:發(fā)酵熱效應KJ/h熱Q：發(fā)酵熱p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Y17Co時采用循環(huán)水進口17Co,出口20Co.夏季：氣心17Co時采用循環(huán)水進口10Co,出口20Co.冬季冷卻水循環(huán)水用量計算：QW=—^冷—C(t-1)21發(fā)酵熱效應x1.2=45t/h夏季冷卻水用量計算：QW=—^冷一C(t-1)21發(fā)酵熱效應x1.2取14噸/時。4.8.3冷卻器面積計算F=Qk.AtQ:發(fā)酵熱效應470400J/hK:傳熱系數(shù)200-450kCal/m2hoC取K=300kCal/m2hoCt：加熱結(jié)束時的料液溫度120oC2t：加熱開始時的料液溫度35oC1I：蒸汽焓KJ/kg,0.4MPa焓為650kCal/kg(34一(34一17)+(34一20)=15.5=5658.1kgAt=平均溫差(t-1)+(t-1)=—罐__進 罐__22F=Q= 470400 =242m2KAt300義4.18義15.5 ,取25m24.9蒸汽消耗量計算n：熱損失5-10%，取5%3360Ox4.1m20二35)+0.05)650x4.18—120x4.184.9.2滅菌保溫時間內(nèi)的蒸汽用量b2b=0.5b=0.5x5658.1=2829.05kg214.10發(fā)酵罐發(fā)酵過程中需要壓縮的發(fā)酵罐蒸汽消毒有三種方法：實消、連消、空消。慶大霉素常常采用實消方法。實消蒸汽用量最大，蒸汽直接通入罐內(nèi)與發(fā)酵液等一起加熱，使罐溫從80-90oC迅速升溫至120oC以達到滅空氣量4.10.1通風比計算法發(fā)酵工廠壓縮空氣量一般都是根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗以通風比來決定，如慶大霉素工廠提供的通風比菌的效果。保溫時間內(nèi)蒸汽用量按升溫用汽量的30-50%進行計算。4.9.1直接蒸汽混合加熱蒸汽消耗量的計算：1:1.2--1.5已知發(fā)酵罐50m36臺，裝料系數(shù)75%，取通風比為1:1.2，則壓縮空氣需要量：GC(t—t)

d= 2—」-(1+n)1 (i—t)?C2Q=50x6x0.75x1.2=270m3/min4.10.2耗氧率的計算方法b1：蒸汽消耗量kg各種微生物的耗氧率因種類的不G：被加熱料液量kg，已知為32m3同而不同，其范圍大致為25-100mgmol/l.h慶大霉素生產(chǎn)取38mg-mol/l.h),根據(jù)抗生素生產(chǎn)工藝學)P103(7-30)公式：耗氧率=單位時間內(nèi)進口空氣中氧的含量—單位時間內(nèi)出口空氣中氧的含量1X_—■_ 發(fā)酵液的體積11y=Gx60x——x103(C-C)x—22.4進出V丫：耗氧速率mg-mol/l.h該罐實裝醪量32m3④設1h內(nèi)排空，則物料體積流量32Q= =0.0088m3/s3600x1G：空氣流量m3/min發(fā)酵醪流速取V=1m/sQ_0.0088

V Q_0.0088

V r~=0.0088m2d==0.11m取無縫G：進口空氣含量21%進G：出后空氣含量19.8%(工廠數(shù)據(jù))出rxVx22.4G= 60x103(0.21-0.198)_38x50x0.75x6x22.4=60x103x(0.21-0.198)=266m3/min計算結(jié)果和通風比計算結(jié)果非常接近，進一按通風比計算切合實際。5管道設計接管設計①接管的長度h設計各接管的長度h根據(jù)直徑大小和有無保溫層，一般取100~200mm接管直徑的確定主要根據(jù)流體力學方程式計算。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，計算出的直徑再休整到相近的鋼管尺寸即可。通風管的管徑計算則排料管截面積為F物F=0.785d2物則管徑;F0.0088,——物一=■ 卜0.785V0.785鋼管電121x4適用。若按通風管計算，壓縮空氣在0.4Mpa下，支氣管氣速為20m/s,通風比1:1.2。200c,O.IMpa下:Q=32x1/1.2=25.8m3/min=0.43m3/s計算到0.4Mpa,300c狀態(tài)下:0.1273+30Q=0.43x——x =0.11m3/sf0.4273+20取風速v=20m/s,則風管截面積FfQ0.11為：F=-f= =0.0055m2fv20Ff=0.78當，則氣管直徑d氣為:■10.00551 =0.083m\10.785取d=⑦95x4無縫管，則滿足工藝要求。由此可知：則進料口: d=O121x4封頭排料口: d=⑦121x4罐底L104.3L104.3=34.8m進氣口： d=電95x4封頭排氣口： d=O95x4罐底橢圓人孔： 300x400mm封頭5.2蛇管的計算①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)流體力學方程式，冷卻管總截面積S總為：S=w

總v

式中：W：冷卻水體積流量，w=12.5X10一3m3/sV：冷卻水流速，v=1m/s代入上式，S=12.5X10-3療總②冷卻管組數(shù)和管徑設管徑為d,組數(shù)為n,則0S=n.0.785.d2總0根據(jù)本罐情況，取n=3,求管徑，由上式得：表，選取由83X4無縫管，d=75mm,內(nèi)d>d，滿足要求，平均d=77mmo內(nèi)0 平現(xiàn)取豎蛇管圈端部u型彎管曲徑為250mm,則兩直管距離為500mm,兩端彎管總長圉0l=兀D=3.14x500=1570(mm)0③冷卻管總長度L計算有前知冷卻管總面積F=25而現(xiàn)取無縫鋼管083X4,每米長冷卻面積為F=3.14x0.077x1=0.24m20貝UL=￡=m=104.2mF0.240L實際=L+4=104.2+4=108.2m冷卻管占有體積V=0.785X0.0732X104.2=0.44m3④每組管長L和管組高度0兩端彎管總長L=1570mm,兩端彎0管總高為500mm,則直管部分高度:h=H-500=3400-500=2900（mm）,則一圈管長:S ；12.5x10-3二, 總—二 二0.0728m\0.785n 3x0.785查金屬材料表選取不銹鋼無縫鋼管l=2h+1=2x2900+1570=7370mm0⑤每組管子圈數(shù)n0L34.8n=—o= =5圈oL7.37現(xiàn)取管間距2.5D=2.5x0.077=0.19m,豎直蛇