发酵工程课程设计报告书.docx
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发酵工程课程设计报告书
发酵工程课程设计
设计说明书
45M3机械搅拌通风发酵罐的设计
起止日期：
2013年12月30日至2014年1月5日
学生姓名
金辉
班级
生物技术111班
学号
11404500132
成绩
指导教师（签字）
包装与材料工程学院
2013年12月31日
第一章前言
发酵罐，指工业上用来进行微生物发酵的装置。
其主体一般为用不锈钢板制成的主式圆筒，其容积在1m3至数百m3。
在设计和加工中应注意结构严密，合理。
能耐受蒸汽灭菌、有一定操作弹性、内部附件尽量减少（避免死角）、物料与能量传递性能强，并可进行一定调节以便于清洗、减少污染，适合于多种产品的生产以及减少能量消耗。
用于厌气发酵（如生产酒精、溶剂）的发酵罐结构可以较简单。
用于好气发酵（如生产抗生素、氨基酸、有机酸、维生素等）的发酵罐因需向罐中连续通入大量无菌空气，并为考虑通入空气的利用率，故在发酵罐结构上较为复杂，常用的有机械搅拌式发酵罐、鼓泡式发酵罐和气升式发酵罐。
乳制品、酒类发酵过程是一个无菌、无污染的过程，发酵罐采用了无菌系统，避免和防止了空气中微生物的污染，大大延长了产品的保质期和产品的纯正，罐体上特别设计安装了无菌呼吸气孔或无菌正压发酵系统。
罐体上设有米洛板或迷宫式夹套，可通入加热或冷却介质来进行循环加热或冷却。
发酵罐的容量由300-15000L多种不同规格。
发酵罐按使用范围可分为实验室小型发酵罐、中试生产发酵罐、大型发酵罐等。
发酵罐广泛应用于乳制品、饮料、生物工程、制药、精细化工等行业，罐体设有夹层、保温层、可加热、冷却、保温。
罐体与上下填充头（或雏形）均采用旋压R角加工，罐内壁经镜面抛光处理，无卫生死角，而全封闭设计确保物料始终处一无污染的状态下混合、发酵，设备配备空气呼吸孔，CIP清洗喷头，人孔等装置。
发酵罐的分类:
按照发酵罐的设备,分为机械搅拌通风的和非机械搅拌通风发酵罐；
按照微生物的生长代谢需要,分为好气型发酵罐和厌气型发酵灌。
发酵罐是一种对物料进行机械搅拌与发酵的设备。
该设备采用内循环方式，用搅拌桨分散和打碎气泡，它溶氧速率高,混合效果好。
罐体采用SUS304或316L进口不锈钢，罐内配有自动喷淋清洗机头，确保生产过程符合GMP要求。
第二章设计方案
我设计的是一台45M3的机械通风搅拌发酵罐，发酵生产谷氨酸。
L-谷氨酸是生物机体内按代谢的基本氨基酸之一，也是连接糖代谢与氨基酸代谢的枢纽之一，在代谢上具有比较重要的意义。
L-谷氨酸单钠盐，俗称味精，具有强烈的鲜味，是一种十分重要的调味品，广泛应用于烹调和食品加工。
前国内各谷氨酸厂所使用谷氨酸产生菌主要有天津短杆菌（BrevibacteriaceaeTianjianense）T6-13及其诱变株FM8209、FM-415、CMTC6282、TG863、TG866、S9114、D85等菌株；钝齿棒杆菌（Corynebacterrumcrenatum）ASl542及其诱变株B9、B9-36、F-263等菌株；北京棒杆菌（CorynebacteriumPekinense）ASl299及其诱变株7338、Dll0、WTH-1等菌株。
现在多数厂家生产上常用的菌株是T6-13、FM-415、S9114、CMTC6282等。
综合温度、PH等因素选择菌株，该菌种最适发酵温度为32-37，pH为7.0-7.5。
主要生产工艺过程为如下：
原料液的处理与培养基配制；种子制备与扩大培养；发酵；谷氨酸提取与精制。
其具体过程如图1:
味精生产总工艺流程图
发酵罐主要有罐体，搅拌器，挡板，消泡器，联轴器及轴承，变速装置，空气分布装置，轴封，换热装置等，但此次采用是用于工业发酵的大型发酵罐，为此会去掉挡板，而且会有冷却用的蛇形管。
对于工业生产用的发酵罐体积，我们要进行合理准确的计算；同时对于发酵罐的制作材料也要注意；要控制发酵罐的温度要特别注意，应为了使谷氨酸产生菌的速度最大，我们要保持合适的温度，使发酵罐的温度不至于过高而影响发酵液的温度，为此我们对于蛇形冷却管的冷却面积需要进行合理计算等。
此次的发酵罐的设计不仅包括发酵管的参数等，而且还有发酵条件的控制，以及发酵罐罐体的设计，运用电脑制图，结合了机械工程制图和电脑CAD制图，电脑设计图位于附录。
表2.1发酵罐主要设计条件
项目及代号
参数及结果
备注
发酵菌种
TG866
根据参考文献[6]选取
工作压力
0.4MPa
由任务书确定
设计压力
0.4MPa
由任务书确定
发酵温度（工作温度）
32℃
根据任务书选取
设计温度
120℃
由工艺条件确定
冷却方式
培养基
蛇管冷却
玉米浆、糖蜜等
由工艺条件确定
由参考文献[6]确定
发酵液密度
1080kg/m3
由工艺条件确定
发酵液黏度
2.0×10-3N.s/m2
由工艺条件确定
为了使微生物发挥最大的生产效率，发酵罐必须满足几个要求：
（1）发酵罐应有适宜的径高比。
罐身较长，氧的利用率较高。
（2）发酵罐应能承受一定的压力，因为发酵罐在灭菌和正常工作时要承受一定的压力（气压和液压）和温度。
（3）发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，实现传质传热作用，保证微生物发酵过程中所需要的溶解氧。
（4）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏污纳垢，保证灭菌彻底，防止染菌。
（5）发酵罐应具有足够的冷却面积。
（6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露。
第三章谷氨酸的发酵工艺
3.1谷氨酸的发酵工艺流程图：
图3-1 谷氨酸发酵工艺流程图
3.2谷氨酸的生产原料及处理【7】
绝大多数的谷氨酸生产菌都不能直接利用淀粉，因此，以淀粉为原料进行谷氨酸生产时，必须将淀粉质原料水解成葡萄糖后才能供使用。
可用来制成淀粉水解糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等，我国主要以甘薯淀粉或大米制备水解糖。
淀粉水解的方法有三种，简单选取两种进行介绍：
1、酸水解法的工艺流程
水和盐酸+淀粉→蒸汽+调浆→糖化→冷却→中和、脱色→过滤→糖液
（1）调浆：
原料淀粉加水调成10—11°Be´的淀粉乳，用盐酸调pHl.5左右，盐酸用量（以纯盐酸计）约为干淀粉的0.5％～0.8％。
（2）糖化：
粉浆密度1.074～1.09g.ml-1、pH1.5、蒸汽压力0.25～0.28MPa、糖化时间15～25min。
在以上条件下进行即可将淀粉转化为还原糖。
（3）中和脱色：
淀粉水解完毕，酸解液pH仅为1．5左右，需用碱中和后才能用于发酵。
中和的终点pH一般控制在4.5～5.0左右，以便使蛋白质等胶体物质沉淀析出。
酸解液中尚存在着一些色素和杂质需通过脱色除去。
脱色可采用活性炭吸附，活性炭是经过特殊处理的木炭，为黑色无定形粉末，不溶于任何溶剂，质松多孔，表面积很大，具有很大的吸附能力。
它将具有脱色与助滤两方面作用。
（4）过滤：
经脱色后的糖液，温度仍在60℃以上，应及时用压缩空气或泵送到板框压滤机或叶滤机过滤，活性炭可兼做助滤剂使用。
过滤温度一般在60～70℃之间。
2、酶水解法
先用α-淀粉酶将淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶将糊精和低聚糖进一步水解成葡萄糖的方法，称为酶解法。
谷氨酸菌能够在菌体外大量积累谷氨酸，是由于菌体的代谢调节处于异常状态，只有具有特异性生理特征的菌体才能大量积累谷氨酸。
这样的菌体对环境条件是敏感的。
也就是说，谷氨酸发酵是建立在容易变动的代谢平衡上的，是受多种发酵条件支配的。
因此，控制最适的环境条件是提高发酵产率的重要条件。
在谷氨酸发酵中，应根据菌种特性，控制好生物素、磷、NH4+、pH、氧传递率、排气中二氧化碳和氧含量、氧化还原电位以及温度等，从而控制好菌体增殖与产物形成、能量代谢与产物合成、副产物与主产物的合成关系，使产物最大限度地利用糖合成主产物。
3.3谷氨酸发酵工艺技术参数
表3.1主要工艺技术参数
3.4谷氨酸发酵环境控制
（1）温度：
谷氨酸发酵前期应采取菌体生长最适温度为30～32℃。
对数生长期维持温度30-32℃。
谷氨酸合成的最适温度为34～37℃。
催化谷氨酸合成的谷氨酸脱氢酶的最适温度在32-36°C左右，在发酵中、后期需要维持最适的产酸温度，以利谷氨酸合成。
（2）溶解氧：
一般控制为，长菌期低风量，产酸期高风量，发酵成熟期又转为低风量。
菌体生长期通风量可比谷氨酸形成期低0.05～0.08m3/m3.min,且要视OD值的增长情况灵活控制风量。
（3）pH：
谷氨酸生产菌的最适pH一般是中型或微碱性pH7.0～8.0条件下累计谷氨酸，发酵前期的pH值以7.5左右为宜，中后期以7.2左右对提高谷氨酸产量有利。
（4）通风量：
谷氨酸生产菌是兼性好氧菌，有氧、无氧的条件下都能生长，只是代谢产物不同。
谷氨酸发酵过程中，通风必须适度，过大菌体生长慢，过小产物由谷氨酸变为乳酸。
应在长菌期间低风量，产酸期间高风量，发酵成熟期低风量。
其中，谷氨酸发酵罐现均采用气一液分散较理想的圆盘涡轮式多层叶轮搅拌器。
（5）泡沫：
谷氨酸发酵时好气性发酵，因通风和搅拌和菌体代谢产生的CO2，使培养液产生泡沫是正常的，但泡沫过多不仅使氧在发酵液中的扩散受阻，影响菌体的呼吸代谢，也会影响正常代谢以及染菌。
因此，要控制好泡沫是关键。
消泡方法有机械消泡（靶式、离心式、刮板式、蝶式消泡器）和化学消泡（天然油脂、聚酯类、醇类、硅酮等化学消泡剂）两种方法。
（6）染菌的防治和染菌后的处理方法：
谷氨酸生产菌对杂菌及噬菌体的抵抗力差。
一旦染菌，就会造成减产或无产现象的发生，预示着谷氨酸发酵生产的失败，这使厂家造成不同程度的损失。
所以预防及挽救很重要的。
常见杂菌有芽孢杆菌、阴性杆菌、葡萄球菌和霉菌。
针对芽孢杆菌，打料时，检查板式换热器和维持管压力是否高出正常水平。
如果堵塞，容易造成灭菌不透。
板式换热器要及时清洗或拆换。
维持罐要打开检查管路是否有泄漏或短路。
阀门和法兰是否损坏。
针对阴性杆菌，对照放罐体积，看是否异常。
如果高于正常体积，可能是排灌泄漏，对接触冷却水的管路和阀门等处进行检查。
针对葡萄球菌，流加糖罐和空气过滤器要进行无菌检查，如果染菌要统一杀菌处理。
针对霉菌，加大对环境消毒力度，对环境死角进行清理[5]。
噬菌体不耐高温，一般升温至8O℃噬菌体就会死亡。
在发酵2h-10h污染噬菌体，判断正确后，把发酵液加热至45°C10min把谷氨酸菌杀灭。
[6]在发酵10h～14h污染噬菌体，仍是把发酵加热至45℃10min，压出发酵罐，进行分罐处理，一般可分成两罐来处理。
发酵18h后出现OD下跌，此时残糖在3％左右，出现耗糖缓慢或停止。
镜检没有发现菌体碎片，可能是溶源菌或发酵前期出现高温现象，造成菌体自溶。
处理方法补入4u-5u单位纯生物素，压入相对同期的发酵液10％的量，继续发酵。
发酵结果比同期发酵结果略差[7]。
第四章发酵罐设计及谷氨酸发酵基本参数
4.1发酵罐的型式
机械搅拌通风发酵罐
高径比：
H/D=1.7～3.5
②搅拌器：
六弯叶涡轮搅拌器,Di:
di:
L:
B=20:
15:
5:
4
③搅拌器直径：
Di=D/3
④搅拌器间距：
S=2Di
⑤最下一组搅拌器与罐底的距离：
C=（0.8-1.0）Di
⑥挡板宽度：
B=0.1D，当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板。
4.2发酵罐的用途
用于谷氨酸发酵生产的45M3机械搅拌通风发酵罐。
装料系数：
发酵罐0.7
②发酵液物性参数：
牛顿流体
密度1080kg/m3
粘度2.0×10-3N.s/m2
导热系数0.621W/m.℃
比热4.174kJ/kg.℃
③高峰期发酵热2.93×104kJ/h.m3
④溶氧系数：
6-9×10-6molO2/ml.min.atm
⑤标准空气通风量：
0.2-0.4vvm
冷却水
冷却水进口温度：
17℃
冷却水出口温度：
25℃
发酵温度：
32℃
设计压力：
罐内0.4Mpa
第五章发酵罐造型及工艺计算
5.1发酵罐容积的确定
选用公称容积为45m3的发酵罐
5.2发酵罐主要尺寸的计算
设全容积
公称体积
筒身体积
发酵罐总共高度
筒身高度
筒身直径
封头体积
椭圆封头段半轴长度
椭圆封头的直边高度
搅拌叶的直径
搅拌器之间的距离
最下一组搅拌器与罐底的距离
挡板宽度
设其中H=2.5DH0=2DB=0.1Dha=0.23DS=2DiC=Di
发酵罐的公称体积是45m3，根据
高径比H=2.5D
得：
D=2.7716m=2771.6mm取整为2772mm
H=2.5D=6.929m=6929mm取整为6929mm
H0=2D=5.5432m=5543.2mm取整为5543mm
ha=0.23D=637.5mm取整为638mm
h=55mm
发酵罐的全容积
为了便于计算椭圆形封头的直边高度忽略不计
得：
V全=48.04m3
圆柱部分的体积
得：
V筒=41.80m3
上下封头的体积
得：
V封=2.79m3
经验证：
V0=V筒+2V封=41.80m3+2×2.79m3=47.38m3
48.04m3≈47.38m3
符合设计要求，可行。
搅拌叶的直径
得：
=924mm
搅拌器之间的距离
得：
S=1848mm
最下一组搅拌器与罐底的距离
C=Di=924mm
挡板宽度
B=0.2Di=184.8mm
表5.1大中型发酵罐技术参数
公称容量
筒体高度H（mm）
筒体直径mm
换热面积
转速r/min
电机功率
kW
10
3200
1800
12
150
7.5
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
5.3罐体
考虑压力，温度，腐蚀等因素，发酵罐材料可以选用钛钢、不锈钢、合金钢等。
相对其他工业来说，发酵液对钢材的腐蚀不大，但必须能承受一定的压力和温度，通常要求耐受130-150℃的温度和0.4MPa的压力。
例如：
腐蚀性不大的腐蚀液，如酶制剂发酵可选用16MnR钢;谷氨酸为弱酸，使用A3钢对罐体会有腐蚀使用不锈钢成本较高。
考虑使用A3钢为材料，内涂环氧树脂防腐。
既可达到要求，又可降低成本，采用双面焊接。
5.3.1罐体的厚度
D－罐体直径（mm）
p－耐受压强（取0.4MPa）
φ－焊缝系数，双面焊取0.8
[σ]－罐体金属材料在设计温度下的许用应力（kgf/c
）（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa）
C－腐蚀裕度，当δ－C<10mm时，C＝3mm
代入数字
5.3.2封头壁厚的计算
取整δ2=12mm
D－罐体直径（mm）
p－耐受压强（取0.4MPa）
K－开孔系数，取2.3
φ－焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0
[σ]－设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa）
C－腐蚀裕度，当δ－C<10mm时，C＝3mm
5.3.3人孔和视镜的设计
本次设计只设置了1个人孔，查阅文献，选取标准号人孔RFⅡ（R•G）450-0.6HG21522-1995、公称压力为2.5MPa、直径为500mm、高度为393mm的人孔，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴1380mm处。
本次设计设置了2个视镜，标准号HG21505－1992，直径为DN=100mm，高度为52mm，开在顶封头上，位于右边轴线离中心轴1380mm处，与人孔位于同一水平线上。
5.4传热量的计算及冷却面积的确定
通常将发酵过程中产生的净热称为发酵热，其热平衡方程可如下表示：
发酵热效应：
Q－发酵热效应，KJ/h；
Q发酵－发酵热，29300KJ/m3·h
V1－发酵液体积，45.0m3。
单位时间传热量＝发酵热×装料量
即：
表5.2各类发酵液的发酵热
发酵热
发酵热（kJ/
·h）
青霉素丝状菌
23000
青霉素球状菌
13800
四环素
25100
谷氨酸
29300
赖氨酸
33400
柠檬酸
11700
酶制剂
14700－18800
由谷氨酸发酵工艺条件已知，谷氨酸发酵热高峰值约为高峰期发酵热2.93×104kJ/h.m3，则冷却面积按传热方程式计算如下：
式中Si—冷却面积，m2
Q—换热量，kJ/h
Dtm—平均温度差，℃
K—总传热系数，kJ/（m2·h·℃）
该发酵罐装料系数为0.7，故47.38m3灌装液量为：
设发酵液温度32℃，冷却水进口温度17℃，出口温度25℃，则平均温度差
为：
采用竖式蛇管换热器取经验值K取4.17×500kJ/（m2·h·℃）
5.5接管的设计
5.5.1接管的长度h设计【2】
各接管的长度h根据管径大小和有无保温层，进行选择。
5.5.2接管直径的确定
.
接管直径的确定，主要根据流体力学方程式计算。
以排料管为例计算管径，本罐实装45m3，装料系数为0.7，设1h之内排空，则有：
罐实际醪料量：
47.38×0.7=33.166m³
物料体积流量：
取流速v=1m/s，则排料管截面积：
又排料管截面积，
，算得d=0.126m。
取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰HG20593-97，取公称直径50mm，。
5.5.3管道接口的选择
进料口：
直径，开在封头上；
排料口：
直径，开在罐底；
进气口：
直径，开在封头上；
排气口：
直径，开在封头上；
冷却水进、出口：
直径，开在罐身；
补料口：
直径，开在封头上；
取样口：
直径，开在封头上；
以上接口都采用法兰接口。
图5-1平焊法兰示意图
仪表接口：
温度计：
PT100铂电阻-DOCOROM常用温度传感器型号-TR/02125装配式热电阻，开在罐身上；
压力表：
弹簧管压力表（径向型），d1=20mm，精度2.5，型号：
Y-250Z，开在封头上；
pH探头：
SBH03-871PH-3P1A-3型。
5.6装液量的计算
设计发酵罐装料系数，取0.75。
因为V全=48.04m3，所以V1=36.03m3。
5.7通风量的计算
设发酵罐的标准空气通风比为：
0.2-0.4vvm，取最小值，如通风量变大，Pg会小，为安全，现取0.2，则
5.8搅拌器的设计
本设计选用六弯叶涡轮搅拌器，该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系，六弯叶涡轮搅拌器,Di:
di:
L:
B=20:
15:
5:
4。
如图：
搅拌叶的直径Di=D/3=0.924m
搅拌叶间距S=2Di=1.848m
挡板宽度B=189mm
最下一组搅拌器与罐底的距离C=924mm
弧长l为：
盘径di为：
叶弧长L为：
5.9搅拌器功率的计算
5.9.1不通气时的搅拌功率P0
取发酵液黏度
，密度
，搅拌转速
，则雷诺准数为：
因为Re≥104，所以发酵系统充分湍流状态，即有效功率系数NP=4.7（查表得）
鲁士顿（RushtonJ.H.）公式：
P0－无通气搅拌输入的功率（W）；
NP－功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；圆盘六弯叶涡轮NP≈4.7
ω－涡轮转速（r/min）；
－液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，取1080kg/m3；
Di－涡轮直径（m）；
对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：
m－搅拌器层数
5.9.2通气搅拌功率的计算Pg
因为是非牛顿流体，所以用米氏公式计算（也可以近似值估算）
C－系数，
时，取0.157
Pm－多层搅拌输入的功率（kW）
ω－涡轮转速（r/min），取165r/min
Di－涡轮直径（m），0.924m
Q－通气量（
/min）
代入数据计算得：
5.9.3电动机的功率P电
根据搅拌功率选用电动机时，应考虑传动装置的机械效率。
－搅拌轴功率
－轴封摩擦损失功率，一般为1%
η－传动机构效率
根据生产需要选择三角皮带电机。
三角皮带的效率η1=0.92，滚动轴承的效率η2=0.99，滑动轴承的效率η3=0.98，端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的1%，则电机的功率：
5.10竖直蛇管冷却装置计算
5.10.1求最高热负荷下的耗水量W
由实际情况选用进出口水温为17℃、25℃；
高峰期发酵热－2.93×104kJ/h.m3；
Cp－冷却水的平均比热约为4.174kJ/kg.℃；
－冷却水进出口温度差为8℃
Q总=2.93×104×48.04×0.7=4.60×105（KJ.h）
冷却水耗量
对数平均温度差，由工艺条件知道发酵温度32度
t1－冷却水进口温度
t2－冷却水出口温度
tF－发酵温度
5.10.2冷却管的设计
△tm－对数平均温度差
K－传热总系数，取1931kJ/（m2·h·℃）
冷却蛇管总长度（m）
，
取整数L=128，分为4组，每组长L0为32m
d－蛇管内径，d＝外径－壁厚取
，d平均=50mm
每圈蛇管长度
D－蛇管圈直径，5m
hp－蛇管圈之间的距离，取0.15m
每组蛇管圈数
，则总圈数为2×4=8圈
蛇管总高度
5.10.3校核布置后冷却管的实际传热面积
故可满足实际需要。
5.11设备结构的工艺设计
（1）空气分布器：
本罐使用单管进风。
（2）挡板：
本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。
（3）消泡浆：
本罐使用圆盘放射式消泡浆。
（4）密封方式：
本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。
（5）冷却管布置：
使用的是竖直蛇管冷却装置。
第六章设计结果及讨论
附表1：
发酵罐集合尺寸汇总
项目
结果
单位
全体积（V0）
47.38
m³
公称体积1（V）
45
m³
发酵罐总高（H）
6929
mm
发酵罐筒体高度（H0）
5543
mm
罐体直径（D）
2772
mm
搅拌叶直径（Di）
924
mm
椭圆封头直边高度（h）
55
mm
椭圆封头段半轴长度（ha）
638
mm
搅拌叶间距（s）
1848
mm
最下一组搅拌器与罐底的距离（C）
924
mm
挡板宽度（B）
184.8
mm
罐体材料2
A3钢
焊接方式2
双面缝焊接
罐体筒壁厚（
）
8.068
mm
封头壁厚（
）
11.9
mm
搅拌器类型3
六弯叶涡轮式搅拌器
人孔3
1
个
视镜3
2
个
进、排料口直径3
附表2：
各项目及计算结果
项目
结果
单位
升级会员 