1、1 前言 生物反响工程与设备课程设计是生物工程专业一个重要的、综合性的实践教学环节，要求综合运用所学知识如生化反响工程与生物工程设备课程来解决生化工程实际问题，对培养我们全面的理论知识与工程素养，健全合理的知识结构具有重要作用。发酵罐是发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏，是连接原料和产物的桥梁。随着工业技术的开展，市面上出现了种类繁多、功能更加完备的新型发酵罐。如何选择或者设计一种适宜的发酵罐将会成为一个研究热点。本文旨在通过相应的参数计算和设备计算完成年产20吨庆大霉素的机械通风发酵罐初步设计。2 常见的发酵罐2.1机械搅拌通风发酵罐 机械搅拌发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使
2、空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供应微生物生长繁殖、发酵所需的氧气,又称通用式发酵罐。可用于啤酒发酵、白酒发酵、柠檬酸发酵、生物发酵等。 图1 机械通风发酵罐2.2气升式发酵罐气升式发酵罐把无菌空气通过喷嘴喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡打碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而含气率小的发酵液下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。其结构简单、不易染菌、溶氧效率高和耗能低，主要类型有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。 图2 气升式发酵罐原理图2.3自吸式发酵罐 自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。叶轮旋转时叶片不
3、断排开周围的液体使其背侧形成真空，由导气管吸入罐外空气。吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。 与机械发酵罐相比，有一个特殊的搅拌器，但没有通气管。罐为负压，易染菌，当转速较大时，会打碎丝状菌。 图3 自吸式发酵罐3 工艺条件1年产量：G=20 t庆大霉素2年工作日：M=300天3发酵周期：t=6天4发酵平均单位：m=1400单位/毫升 5成品效价：p=580单位/毫克6提炼总效率：p=87% 7每年按300天计算，每天24小时连续运行。8装料系数：=75%4 工艺计算4.1 由年产量决定每天放罐发酵液体积 4.2 发酵罐公称容积和
4、台数确实定 =42.4 按照国内发酵罐系列取：每天放罐系数，取=1罐；：发酵罐装料系数，=75%；发酵罐总台数n=发酵周期 n=16=6(台发酵周期=每罐批发酵时间+辅助时间辅助时间=进料时间+灭菌操作时间+移种时间+放罐压料时间+清洗检修时间4.3 发酵罐实际产量4.4 每吨产品需要的发酵液量4.5 机械通风发酵罐的高度和直径确定发酵罐的高度和直径：设发酵罐的圆筒体积为，封底体积为 =+ =取H=1.95D即m D=3.1m H=6.0m其中，D为发酵罐公称直径，H是发酵罐圆筒高。4.6机械发酵罐壁厚的计算4.6.1计算法确定发酵罐的壁厚 式中，P设计压力，取最高工作压力的1.05倍，P=0
5、.4MpaD发酵罐内径，D=310cm【】A3钢的许用应力，【】=127Mpa 焊缝系数，取=0.7C壁厚附加量钢板负偏差，取为腐蚀欲量，取=2mm加工减薄量，取=0，代入上式得 4.6.2封头壁厚计算-椭圆封头的直边高度m，取=0.05m-椭圆封头短半轴长度，=标准椭圆封头的厚度计算公式如下： 式中，P=0.4Mpa，D=310cm，【】=127Mpa=0.08cm，=0.2cm，=0.1cmcm，=0.7代入上式，得 : 查钢材手册圆整为=12mm。4.7 发酵罐搅拌装置计算和轴功率计算4.7.1 搅拌装置 发酵罐的搅拌器一般都采用圆盘的涡轮搅拌器，搅拌叶的形式有平叶、弯叶、箭叶三种，其外
6、形见以下列图： 图4 三种常用涡轮搅拌器 搅拌叶形式的选择是发酵罐设计中的一个关键。本次设计，由于庆大霉素发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的各局部尺寸与罐径D有一定比例关系，现将主要尺寸列出：搅拌器叶径d=D/3=3.1/3=1.03m 取d=1.m挡板宽 B=0.1 d=0.11=0.1m底距 C=d=1.0m搅拌叶间距 S=D=3.1m 弯叶板厚 =12mm4.7.2 搅拌轴功率的计算4.7.2.1 不通风情况的搅拌轴功率 不通风情况的搅拌轴功率随着液体的性质、搅拌器的形式、罐的结构尺寸的不同而不同。经过大量实验可得功率准数和搅拌雷诺指数之间的函数
7、关系：= -P=其中：p：搅拌功率公斤1千瓦=102公斤 n：搅拌器转速：搅拌器直径米：液体密度公斤/由化工原理可知： 湍流 滞流 过渡流 图5 上式公式只适用于湍流和滞留，过渡流时不是一个常数，必须从曲线查询。 当，属于湍流区。此时的流体见图5称为牛顿型流体，由上图实验得出的曲线来看，该区不随的增加而增加，根本上趋于水平线，也就是说为一常数。六平叶涡轮浆 =6.0六弯叶涡轮浆 =4.7六箭叶涡轮浆 =3.7工作状态时，通常发酵罐内发酵液都需要处于湍流状态，因此使用曲线图，线图计算无通气时的搅拌率比拟方便，算出，并查的值，那么搅拌功率即可由下式计算生物工厂设计假设不符合上述条件，可用下面公式校
8、正：功率计算：n=170转/分 工厂提供数据，工厂测定数据=4.7由公式 校正得：根据一般搅拌器之间的距离S=1.5-2.5搅拌器个数= = =2.9个 取3个一般，三个搅拌器为单个搅拌器的2倍：kW4.7.2 通风条件下的搅拌功率由风速估计通风情况下的搅拌功率将下降，当风速大于30米/小时，通风功率仅为不通风的40-50%那么=。由经验公式估计密氏公式生物工厂设计 其中K=0.156 = =109.1kW设机械传动效率为0.8那么 从上面可以看出，根本功率约为137kW。4.8 发酵罐冷却水量和冷却面积计算4.8.1 发酵热效应其中：发酵热效应 KJ/h：发酵热3500kCal/=14700
9、KJ/:发酵液体积 32各种发酵液发酵热见下表： v4.8.2 冷却水量的计算发酵过程，冷却水系统按季节气温的不同，采用冷却水系统也不同，为了保证发酵液生产，夏季必须使用冰水。冬季：气温时采用循环水进口17，出口20.夏季：气温时采用循环水进口10，出口20.冬季冷却水循环水用量计算：夏季冷却水用量计算：取14吨/时。4.8.3 冷却器面积计算取K=300取254.9 蒸汽消耗量计算 发酵罐蒸汽消毒有三种方法：实消、连消、空消。庆大霉素常常采用实消方法。实消蒸汽用量最大，蒸汽直接通入罐内与发酵液等一起加热，使罐温从80-90迅速升温至120以到达灭菌的效果。保温时间内蒸汽用量按升温用汽量的30
10、-50%进行计算。4.9.1 直接蒸汽混合加热蒸汽消耗量的计算：蒸汽消耗量 kgG：被加热料液量 kg，为32：加热结束时的料液温度120：加热开始时的料液温度35I：蒸汽焓KJ/kg，0.4MPa焓为650kCal/kg：热损失5-10%，取5%4.9.2 灭菌保温时间内的蒸汽用量=0.5kg4.10 发酵罐发酵过程中需要压缩的空气量4.10.1 通风比计算法 发酵工厂压缩空气量一般都是根据实际生产经验以通风比来决定，如庆大霉素工厂提供的通风比1:1.2-1.5发酵罐506台，装料系数75%，取通风比为1:1.2，那么压缩空气需要量：4.10.2 耗氧率的计算方法 各种微生物的耗氧率因种类的
11、不同而不同，其范围大致为25-100mgmol/l.h(庆大霉素生产取38mg-mol/l.h)，根据抗生素生产工艺学P103(7-30)公式：耗氧率=单位时间内进口空气中氧的含量单位时间内出口空气中氧的含量：耗氧速率mg-mol/l.hG：空气流量：进口空气含量 21%：出后空气含量 19.8%工厂数据 计算结果和通风比计算结果非常接近，进一按通风比计算切合实际。5 管道设计5.1 接管设计 接管的长度h设计 各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100200mm 接管直径确实定 主要根据流体力学方程式计算。物料的体积流量，又知各种物料在不同情况下的流速，即可求出管道截面积，计算出的
12、直径再休整到相近的钢管尺寸即可。 通风管的管径计算 该罐实装醪量32 设1h内排空，那么物料体积流量 发酵醪流速取V=1m/s那么排料管截面积为 那么管径取无缝钢管121x4适用。 假设按通风管计算，压缩空气在0.4Mpa下，支气管气速为20m/s，通风比 1:1.2。20，0.1Mpa下：Q=32x1/1.2=25.8计算到0.4Mpa，30状态下： 取风速v=20m/s，那么风管截面积为： ，那么气管直径为： 取d=95x4无缝管，那么满足工艺要求。由此可知：那么进料口： d=121x4 封头 排料口： d=121x4 罐底进气口： d=95x4 封头排气口： d=95x4 罐底椭圆人孔：
13、 300x400mm 封头 5.2 蛇管的计算冷却管总面积 冬季最顶峰时w=45t/h=12.5Kg/s，冷却水体积流量为12.5Kg/s，取冷却水在竖直蛇管中流速1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积为： 式中：W：冷却水体积流量，w=12.510m/sV：冷却水流速，v=1m/s代入上式，=12.510冷却管组数和管径设管径为，组数为n，那么=n.0.785.d根据本罐情况，取n=3，求管径，由上式得： 查金属材料表选取不锈钢无缝钢管表，选取834无缝管，=75mm，满足要求，平均=77mm。现取竖蛇管圈端部u型弯管曲径为250mm，那么两直管距离为500mm，两端弯管总长度 冷却管总长度L计算 有前知冷却管总面积F=25现取无缝钢管834，每米长冷却面积为那么=104.2+4=108.2m冷却管占有体积V=0.7850.073104.2=0.44m每组管长和管组高度 两端弯管总长=1570m
