微生物工程设计50机械搅拌通风发酵罐的设计民

微生物工程课程设计

设计说明书

50M3机械搅拌通风发酵罐的设计

起止日期： 2013 年 6 月 24 日 至 2013 年 7 月 5 日

学班学成

生姓名 级 号 绩

生物技术班

指导教师(签字)

、

包装与材料工程学院 2013年6 月 30 日

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目 录

第一章 设计方案的分析、拟定 .............................. 3 第二章 谷氨酸的发酵工艺 .................................. 5

2.1发酵法概述 .................................................. 5

2.1.1 原料的预处理及糖化 ....................................... 7

2.1.1.1 生产原料简介........................................ 7 2.1.1.2 原料处理[2] .......................................... 7 2.2 培养基的制备................................................ 8

2．2.1碳源 ................................................. 8 2.2.2 氮源.................................................. 8 2.2.3 生物素................................................ 8 2.3 种子扩大培养基[1] ............................................ 9

3.3.1 斜面种子的制备........................................ 9 2.3.3 种子扩大培养.......................................... 9 2.4 谷氨酸发酵 [2] .............................................. 9 2.5 影响因素的控制............................................. 10

2.5.1 环境因素的控制....................................... 10 2.6 细胞膜渗透性控制........................................... 11

2.6.1控制磷脂的合成 ....................................... 11 2.6.2 控制细胞壁的合成..................................... 12

第三章 罐体几何尺寸的确定 ............................... 13

3.1罐体体积 ................................................... 13 3.2 罐体总高度................................................ 13

第四章 主要部件尺寸的设计计算 ........................... 15

4.1罐体 ....................................................... 15 4.2 罐体壁厚：取决于罐径及罐压的大小........................... 15 4.3 封头壁厚计算：常大于罐体壁厚............................... 15 4.4挡板 ....................................................... 16 4.5搅拌器 ..................................................... 16 4.6人孔和视镜 ................................................. 17 4.7接口管 ..................................................... 17

4.7.1 管道接口 （采用法兰接口）............................ 17 4.7.2 仪表接口............................................. 18

第五章 冷却装置的设计 ................................... 19

5.1 冷却方式................................................... 19

1

5.2 装料量..................................................... 19 5.3 单位时间传热量............................................. 19 5.4 冷却水用量（W）............................................ 19 5.5 冷却面积（A）.............................................. 20

第六章 搅拌器轴功率的计算 ............................... 22

6.1不通气条件下的轴功率P0计算 ................................. 22 6.2通气搅拌功率Pg的计算 ...................................... 23 6.3电机及变速装置选用 ......................................... 23

第七章 设计结果与讨论 ................................... 25 第八章 设计小结 ......................................... 28 参考文献 ................................................ 29 附录Ⅰ 符号说明 ......................................... 30 附录Ⅱ发酵罐图纸 ........................................ 32

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第一章 设计方案的分析、拟定

我设计的是一台75M3机械搅拌通风发酵罐,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。

目前国内谷氨酸发酵的主要菌种有：天津短杆菌及其诱变株FM8209、FM-415、CMTC-6282、TG863、TG866、S9144、D85等菌株；钝齿棒杆菌AS1.542及其诱变菌株B9、B9-17-36、F-263等菌株；北京棒杆菌AS.1299及其诱变菌株7338、D110、WTH-1等菌株。

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。

发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌装置，传动装置,轴封装置，人孔和其它的一些附件组成。这次设计就是要对50m3发酵罐的几何尺寸进行计算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、罐体和封头的壁厚；根据发酵微生物产生的发酵热、发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷却装置的设计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一些附件的确定,完成整个装备图，完成这次设计。

这次设计包括一套图样，主要是装配图，还有一份说明书。而绘制装配图是生物工程设备的机械设计核心内容，绘制装配图要有合理的选择基本視图，和各种表达方式，有合理的选择比例，大小，和合理的安排幅面。说明书就是要写清楚设计的思路和步骤

压力P——除注明外，压力均指表压力，单位用MPa表示。

工作压力——指在正常情况下，容器顶部可能达到的最高压力。

设计压力——指设定的容器顶部的最高压力。它与设计温度一起作为设计载荷条件，其值不小于工作压力。

一般在装有安全阀时Pd=(1.05~1.1)Pw 当无安全阀时，Pd=(1.0~1.05) *1、设计压力

容器的设计压力是指相应的设计压温度下，用以确定壳体厚度的压力，其值不得小于最高工作压力。容器的最高工作压力是指在正常操作情况下，容器顶部可能出现的最高表压力。 *2、设计温度

设计温度是指容器在正常操作情况，在相应的设计压力下设定的受压元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。当元件的金属温度大于等于0℃时设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度，当元件金属温度低于0℃时设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。

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步骤 1 2 3 4 5 6 7 表1.1发酵罐主要设计条件 项目 参数及结果 发酵菌种 TG866 工作压力 0.4MPa 设计压力 0.4MPa 发酵温度 32℃ 设计温度 120℃ 冷却方式 蛇管冷却 培养基 玉米浆、马铃薯粉、豆饼粉 发酵液密度 1080kg/m3 备注 由参考文献[6]确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定 由工艺条件确定 由参考文献[6]确定 8 由工艺条件确定 9 发酵液黏度 μ=2.0×10-3N.s/m2 由工艺条件确定

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第二章 谷氨酸的发酵工艺

2.1发酵法概述

谷氨酸的发酵生产全过程可划分为三个工艺阶段（1）原料的预处理及糖化；（2）种子扩大培养及谷氨酸发酵；（3）谷氨酸的提取。

谷氨酸发酵是一个比较复杂的生化过程，野生型谷氨酸产生菌不能在体外大量地积累谷氨酸，故生产上常采用代谢调节异常化的细菌为菌种。这些菌种对环境因素的变化非常敏感，易受多方面环境条件的影响，包括发酵培养基配比、温度、溶解氧、pH、NH4+浓度等。在适宜的培养条件下，谷氨酸生产菌能够将50%以上的糖转化成谷氨酸，只有极少量的副产物。否则，几乎不产生谷氨酸，而得到大量的菌体或者由谷氨酸发酵转换成积累乳酸、琥珀酸或α-酮戊二酸、丙氨酸、缬氨酸、谷氨酰胺、乙酰谷酰胺等发酵。因此，谷氨酸发酵必须严格控制工艺条件。图2.1为谷氨酸发酵工艺流程[3]。

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摇瓶扩大培 种子罐扩大培 溶解 离子交换处理 中和制味精 粗谷氨酸溶粗谷氨粗谷氨酸 母液 干燥 拌盐粉碎 干燥 过滤 沉淀 离心 小结大结等电点调离心 配料 发酵 过滤除脱色 过滤 淀粉水解气液分离 过滤 水解 冷却 除铁 斜面培养 预处空气压缩菌种 原料 空气 浓缩结粉状味精 成品味精 图2.1味精生产工艺流程

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2.1.1 原料的预处理及糖化

2.1.1.1 生产原料简介

玉米、小麦、甘薯、大米等。其中甘薯和淀粉最为常用，大米进行浸泡磨浆，再调成15Bx，调pH6.0，加细菌α-淀粉酶进行液化，85℃30min，加糖化酶60℃糖化24h，过滤后可供配置培养基。甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。糖蜜原料因含丰富的生物素，不宜直接用来作为谷氨酸发酵的碳源。预处理方法为，活性碳或树脂吸附法和亚硝酸法吸附或破坏生物素。也可以再发酵液中加入表面活性剂或添加青霉素。 2.1.1.2 原料处理[3]

非粮食原料除糖蜜外，一般不需要预处理，可直接用来配制培养基；而糖蜜中生物素含量过高，虽然生产菌可以良好生长，但采用一般谷氨酸的生产方法，则不积累谷氨酸，故在采用糖蜜为主要原料时，常对糖蜜进行预处理。大多数谷氨酸发酵菌种都不能直接利用淀粉和糊精，因此用淀粉质原料进行谷氨酸生产时，必须先将淀粉水解成葡萄糖，才能供其发酵。

在工业上，淀粉的处理主要是指糖化，制得的水解糖叫淀粉糖。可以用来制备淀粉水解糖的原料有很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等。我国多数味精生产长时利用酸水解法来进行淀粉的水解。

1) 调浆 首先将原料淀粉、水和工业盐酸调成均匀的淀粉乳，为便于操

作控制，生产上加盐酸量常以淀粉浆pH值为指标，控制pH在1.5左右。

2) 糖化 在水解锅内加入一定量的水，然后将水解罐顶预热至100-1050C，蒸汽压力为9.8-19.6kPa之间，水解时间控制在10-20min。 3) 中和 采用酸化糖化淀粉需要用碱中和酸。一般淀粉水解完毕，水解糖

液中葡萄糖含量约为16%-18%左右，其中还含有多余的酸，必须要用碱中和。

4) 脱色过滤 糖化液中杂质的存在对糖液质量影响很大，通过调节pH，

将水解糖液调至等电点时，蛋白质和谷氨酸的溶解度最小，便于沉淀

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过滤，色素则可用活性炭吸附法除去。中和结束后，最后让经过中和脱色的水解糖液静置1-2h，使其充分沉淀，待液温将至45-500C时，用泵打入过滤器过滤，过滤后的糖液送贮糖桶备用。

2.2 培养基的制备

谷氨酸发酵培养基组成包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等。 2．2.1碳源

目前使用的谷氨酸生产菌均不能利用淀粉，只能利用葡萄糖、果糖等，有些菌种还能利用醋酸、正烷烃等做碳源。

在一定的范围内，谷氨酸产量随葡萄糖浓度的增加而增加，但若葡萄糖浓度过高，由于渗透压过大，则对菌体的生长很不利，谷氨酸对糖的转化率降低。 国内谷氨酸发酵糖浓度为 125-150g/L，但一般采用流加糖工艺。 2.2.2 氮源

常见无机氮源：尿素，液氨，碳酸氢铵。常见有机碳源：玉米浆，豆浓，糖蜜。当氮源的浓度过低时会使菌体细胞营养过度贫乏形成“生理饥饿”，影响菌体增殖和代谢，导致产酸率低。随着玉米浆的浓度增高，菌体大量增殖使谷氨酸非积累型细胞增多，同时又因生物素过量使代谢合成磷脂增多，导致细胞膜增厚不利于谷氨酸的分泌造成谷氨酸产量下降。

谷氨酸发酵的碳氮比为100：(15~21)，当碳氮比为100：11时才开始积累Glu。目前生产L-Glu多采用尿素作为氮源，进行分批流加，流加时温度不易过高（不超过45℃），否则游离氨过多，使初始pH值过高，抑制菌体生长。 2.2.3 生物素

含硫水溶性维生素，是B族维生素的一种，又叫做维生素H或辅酶R。广布于动物及植物组织，已从肝提取物和蛋黄中分离，是多种羧化酶辅基的成分。生物素的作用主要影响谷氨酸生产菌细胞膜的通透性，同时也影响菌体的代谢途径。生物素对发酵的影响是全面的，在发酵过程中要严格控制其浓度。（具体可看控制膜渗透性）

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2.3 种子扩大培养基

由于现代的发酵工业产业生产规模越来越大，谷氨酸生产的发酵罐容积可达几十立方米甚至几百立方米。要使微生物在几十个小时的较短时间内，完成如此巨大的生物转化的任务，必须首先培养出数量巨大、代谢旺盛的种子。目前，谷氨酸发酵的种子扩大培养基普遍采用二级种子培养流程。 3.3.1 斜面种子的制备

种子培养基以多含有有机氮而不含或少含糖为原则。一般采用细菌肉汤培养基：葡萄糖0.1%，蛋白胨1.0%,牛肉膏1.0%,氯化钠0.5%,琼脂2.0%-2.5%,pH7.0-7.2（传代和保存斜面时不加葡萄糖）。 2.3.3 种子扩大培养

液体种子培养的目的在于大量繁殖活力强的菌体，培养基中应少含糖分，多含有机氮，培养条件必须有利于菌体生长。培养温度7338和B9类菌30-320C、T6-13类菌钟以33-340C，接种量一般为1%，培养时间以7-8h为宜。 部分工厂直接以培养好的大型斜面作为一级种子使用。一次制备一批大型斜面一级种子，贮存于冰箱中，供本厂使用一星期左右。

2.4 谷氨酸发酵

[3]

适应期，尿素分解氨使pH上升。糖不利用。2-4h。接种量和发酵条件控制使改期缩短。

对数生长期，糖耗快，尿素大量分解使pH上升，氨被利用pH又迅速增大，菌体形态为排列整齐的八字形，不产酸，12h。采取流加尿素办法及时供给菌体生长必须的氮源及调节pH在7.5-8.0，维持温度30-32℃。

菌体生长停止期，谷氨酸合成，糖和尿素分解产生α-酮戊二酸和氨用于合成谷氨酸。及时流加尿素以提供足够的氨并使pH维持在7.2-7.4。大量通气，控制温度34-37℃。

发酵后期，菌体衰老糖耗慢，残糖低。营养物耗尽酸浓度不增加时，及时放罐。

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不同的谷氨酸生产菌其发酵时间有所差异。低糖（10%~12%）发酵，其发酵时间为36~38h，中糖（14%）发酵，其发酵时间为45h。发酵后期菌体衰老，糖耗慢，残糖低。当营养物耗尽酸浓度不增加时，及时放罐。一般发酵周期为30h。[4]

2.5 影响因素的控制

2.5.1 环境因素的控制

3.5.1.1 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。

2.5.1.2 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。 2.5.1.3 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。

2.5.1.4 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

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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。 2.5.1.5 染菌的防治和染菌后的处理方法[3]

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。 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。

2.6 细胞膜渗透性控制

2.6.1控制磷脂的合成

细胞膜磷脂含量低，有利于提高细胞膜通透性。 油酸缺陷型：油酸缺陷型突变株阻断了油酸的合成，丧失了脂肪酸生物合成的能力。甘油缺陷型 ：甘油缺陷型菌株的遗传阻碍是丧失α-磷酸甘油脱氢酶，自身不能合成α-磷酸甘油

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和磷脂。温度敏感突变株：其突变位置发生在与谷氨酸分泌有密切关系的细胞膜的结构基因上，发生碱基的转换或颠换，这样为基因所指导释出的酶，在高温时失活，导致细胞膜某些结构的改变。

2.6.2 控制细胞壁的合成

细胞壁合成不完全，细胞膜容易造成机械损伤和经不起内部渗透压的压力，造成膜的破坏，加大通透性。对数生长期早期，添加青霉素或头孢霉素C。青霉素抑制细胞壁的后期合成。

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第三章 罐体几何尺寸的确定

3.1罐体体积

根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸，高径比为2.5，则H=2.5D 初步设计：设计给出的是发酵罐的公称体积（50m3）

公称体积V－－罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和全体积V0－－公

12hb?D) 称体积和上封头体积之和封头体积 V封???4?D（6V???4?D2H0?0.15D3 （近似公式）

假设H0/D=2,根据设计条件罐的公称体积为50m3 由公称体积的近似公式

V???4?D2H0?0.15D3

V=0.785×D2×2D+0.15D3=50，解得D=3086mm ,取整为3000mm，

3.2 罐体总高度

H=2.5D=2.5×3000=7500mm，取整7500mm

查阅文献，当公称直径D=3m时，标准椭圆封头的曲面高度ha=750mm，直边高度hb=40mm，总深度为Hf=790mm，内表面积S封=10.1m2，容积V=3.82m3

H0=H-2Hf=7500-2×790=5920mm≈6m=2D与前面的假设相近，故可认为D=3m是合适的

设Di = 1/3D、B = 0.1D 、C = Di

则搅拌叶直径Di =1/3D =1000mm、挡板宽度B = 0.1D=300mm 、底轴拌叶至底封头高度C = Di=1000mm

发酵罐的全体积：V= D2[H0+2(hb+D)]=32[6+20.04+3）]=50.0455m3

发酵罐圆柱体积V筒??发酵罐封头体积V封=

4D2?H=42.39m

3

?24经验证V全=V筒+2V封=42.39+2×3.5325=49.455m3 49.455m3≈50.0455m3 符合设计要求，可行

D3=3.5325m3

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步骤 1 2 3 4 5 6 7 8 9 项目及代号 公称体积 50m3 全体积 50.0455m3 D H0 表3.1 50m3发酵罐的几何尺寸 参数及计算结果 备注 设计条件 V0?3m 6m 0.3m 3m 1m 0.75m 0.04m ?1???D2?H?2?hb?D?? 4?6???D?H0/2 ?查表 B=0.1D S=3Di=D C=Di=D/3 ha=0.25D 查表 B S C ha Hb

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第四章 主要部件尺寸的设计计算

4.1罐体

发酵罐材料可以选用碳钢、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，但必须能耐受一定的压力和温度，通常要求耐受130－150 ℃的温度和0.3MPa的压力。

因谷氨酸是为偏酸性，故选用使用A3钢为材料，内涂环氧树脂防腐。封头设计为标准椭圆封头因为D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。

4.2 罐体壁厚：取决于罐径及罐压的大小

?1?pD?C(mm)

2?????p取D=3m, p=0.4MPa, 双面焊缝?=0.8， ???=137MPa, C=3mm

0.4?106?3000?3?5.5mm，取6mm 则?1?2?137?106?0.8?0.4?106D－罐体直径（mm）

p－耐受压强 (设计压力)

φ － 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0

[σ ] －罐体金属材料在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

4.3 封头壁厚计算：常大于罐体壁厚

td?KPD2?????0.5Pt?Cmm

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已知：取双面焊φ=0.8、D=3000mm、P=0.4MPa、K=2.3、????137MPa、t=1 求得：td?2.3?0.4?3000?3?15.60mm，取整16mm

2?137?0.8?0.5?0.4D－罐体直径（mm）

p－耐受压强 (取0.3MPa) 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

4.4挡板

由上可知，挡板宽度B=0.1D，根据下式计算挡板数n：

?0.1~0.12?Dn?0.5 ?B?n???D?D?取B=0.1D, 得出挡板数n=5块

式中 B——挡板宽度，mm； D——罐内径，mm； n——挡板数，mm。

4.5搅拌器

由于谷氨酸发酵过程中有中间补料操作，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。

搅拌器的计算：直径：由 Di=D/3 得 Di=3000/3 =1000mm

叶片宽度：由 h?0.3Di得 h?0.3?1000?300mm

弧长： 由 Di:L=20:5得 L?0.25Di?0.25?1000?250mm 盘径： 由 r?0.375Di 得 r?0.375?1000?375

叶弦长： 由 Di:di=20:15得 di?0.75Di?0.75?1000?750mm 搅拌器间距： 由 S?1D得 S?3000mm

最下一组搅拌器与罐底的距离：C=1.0Di=1000mm

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4.6人孔和视镜

人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。本次设计只设置了1个人孔，标准号为： HG21520－1995 人孔（R·A－2707） 500-1.0，直径为?600mm，高度为260mm，开在顶封头上，左边轴线位于离中心轴1000mm处

视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了2个视镜，标准号为ⅡPN1.6，DN100A HG21505-1992直径为DN150mm，高度为52mm，开在顶封头上，位于俯视面左下45度和右上45度距离中心轴线1200mm处。

4.7接口管

以进料口为例计算，

3

v?1m/sm设发酵醪液流速为，2h 排尽。发酵罐装料液体积：V1 =15.4

物料体积流量Q流?V1/2h?15.4/(3600?2)?0.00213m3/s， 则排料管截面积F?Q/v?0.00213/1?0.00213m，

2又F?0.785d，得d=0.052m，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰

2HG20593-97，取公称直径50，?57?3.5mm。其他管道也是如此计算。

4.7.1 管道接口 （采用法兰接口）

进料口：直径?57?3.5mm，开在封头上， 排料口：?57?3.5mm，开在罐底； 进气口：?57?3.5mm，开在封头上； 排气口：?57?3.5mm，开在封头上； 冷却水进、出口：?57?3.5mm，开在罐身；

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补料口：?57?3.5mm，开在封头上； 取样口：?57?3.5mm，开在封头上；

4.7.2 仪表接口

温度计；装配式热电阻温度传感器Pt100型，D＝100mm，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；

液位计：采用标准：HG5?1368 型号：R?61 直径：?550(260?14)mm，开在罐身上；

溶氧探头：SE?N?DO?F；pH探头：PHS?2型；

表3 发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果 步骤 项目及代号 参数及结果 1 罐体材料 A3钢 2 罐体壁厚 6mm 3 人孔 Φ600 4 封头壁厚 16mm 5 挡板宽度 0.3m 6 挡板数 5个 7 搅拌器种类 6-6弯叶 8 搅拌器层数 2 备注 由工艺条件确定 计算 查阅文献得 计算 计算 计算 查阅文献[6]得 查阅文献[6]得

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第五章 冷却装置的设计

5.1 冷却方式

发酵罐容量大，罐体的比表面积小。夹套不能满足冷却要求，使用列管或蛇管冷却，使用水作冷却介质。

5.2 装料量

发酵罐装料系数：70%

发酵罐装料液体积：v1=全体积×装料系数=50.0455×70%=35.03 不计算下封头时的装液体积：

V柱?V1?下封头体积=V1?m3

?1??1???D2?hb?D?=35.03??32?0.025?3??3?=31.24?6?46??则：装液高度：h液?V柱=4.42m 20.785?D5.3 单位时间传热量

单位时间传热量＝发酵热×装料量,查得谷氨酸高峰期发酵热为2.93×104kJ/h.m3

即：Q?Q?V?2.93?104?35.03?1.026?106kJ/m3

1发5.4 冷却水用量（W）

已知Q= 1.026?106kJ/m3,t1?17℃,t2?25℃

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6Q1.026?10?30637.8kg/h 得：W?=

Cp?t2?t1?4.186?25?17?注：Q－单位时间传热量

Cp－冷却水的平均比热，取4.186 kJ/ (kg · ℃)

t2?t1－冷却水进出口温度差 已知tF=32℃,t1对数平均温差

?17℃,t2?25℃

?tm??tF?t1???tF?t2??32?17???32?25??10.497℃ =tF?t132?17lnln32?25tF?t2注：t1－冷却水进口温度

t2－冷却水出口温度 t发－发酵温度

5.5 冷却面积（A）

已知：Q= 1.026?106kJ/m3 ,?tm?10.497℃, 本罐采用竖式蛇管换热器，取经验值K=4.18×500kJ/(hm2℃）

Q1.026?106A??46.8m2 =

K?tm4.18?500?10.497注： △tm——对数平均温度差

K——传热总系数，取4.18×500kJ/(m2 ·h·℃) 根据生产情况取整则A=47m2 又冷却面积(m2)

A??dL

A=47?299.4m ?d??0.05根据生产实际情况取整L=300m，如果分为6组，则每组为50m。

则冷却蛇管总长度(m) L?d－蛇管内径，d＝外径－壁厚 ?57×3.5mm 外径取57mm，壁厚取3.5mm

蛇管一般分为6组，则每组长度：L/6 =50m

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每圈蛇管长度

l?(?Dp)2?hp2?(3.14?3)2?0.102?9.42m

Dp－蛇管圈直径，3m

hp －蛇管圈之间的距离，取0.10m 蛇管总圈数

L300Np???31.847 取整32圈，每组32/6=6圈

l9.42蛇管总高度

H蛇管??NP?1?hp?(32?1)?0.10?3.1m

表5.1 50m3发酵罐冷却装置设计计算结果 参数 项目及代号 参数及结果 1 发酵罐装料系数 70% 2 装料量 31.2m3 1.026?106kJ/m33 单位时间传热量 备注 由工艺条件确定 v1=全体积×装料系数 Q=Q发*V1 4 5 6 7 8 冷却水耗量（W） 230637.8kg/h 冷却面积（m） 冷却蛇管规格（mm） 冷却蛇管总长度(m) 冷却蛇管高度（m) 46.8m 2QW? Cp?t2?t1?QA? K?tm查阅文献[6] ?57?3.5 299.4m 3.1m AL? ?dH??NP?1?hp

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第六章 搅拌器轴功率的计算

6.1不通气条件下的轴功率P0计算

由鲁士顿(Rushton J. H.)公式：

?110?5P0?NpwDi??4.7????1080?1.000?31.278kw

?60?353P0－无通气搅拌输入的功率（KW）；

Np－功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；

ω－涡轮转速（r/min）；根据文献，50m3机械搅拌通风发酵罐搅拌转速为110r/min

?L－液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，由工艺条件知密度1080kg/m3；

Di －涡轮直径（m）； 圆盘六弯叶涡轮 NP≈4.7 由于一般发酵罐中 D/d≠3 , HL?3

*P?fP 因此搅拌功率可用下式校正：

D??HL?f为校正系数，它由下式来确定： f?1????? 3?Di??Di?**注：发酵罐直径（D）、搅拌器直径(d)、液柱高度(HL) 已知：D=3m, d=1000mm=1m,HL?4.42m

1?3??4.42?所以：f??????1.2

3?1??1?所以：P????fP?1.2?31.278?103?37.534kw

对于多层搅拌器的轴功率可按下估算：

*P?P?0.4?0.6m?=37.534?103*(0.4+0.6*2)=60.054kw m注：m-------搅拌器层数，查阅得m=2。

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6.2通气搅拌功率Pg的计算

?P02wDi3?Pg?C?0.56??Q?式中，当Di/D=1/3时，C=0.157，

当Di/D=2/3时，C=0.113， 当Di/D=123时，C=0.101。 注：P0－无通气搅拌输入的功率（W）

w－涡轮转速（r/min） Di －涡轮直径（m）

0.45

Q－通气量（m3/min），设通风比VVm=0.2~0.4，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。现取0.2.则 Q=50?0.7?106?0.2?7?106(ml/min)

已知：P0=31.278?103w, n=110r/min, Di=1000mm, 取Q=7?106ml/min

又Di/D=1/3，得C=0.157

??31.278?103?2?110?13??求得：Pg?0.157?0.56???7?106???0.45=272.4kw

6.3电机及变速装置选用

根据搅拌功率选用电动机时，应考虑传动装置的机械效率。

P?注：Pg－搅拌轴功率

Pg?PT?

PT－轴封摩擦损失功率，一般为1% Pg η－传动机构效率

根据生产需要选择三角皮带电机。三角皮带的效率是 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是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:

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P电?Pg??12?3?1.01?272.4?1.01?308.2kw

0.98?0.92?0.99

表6.1 步骤 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 发酵罐搅拌功率的设计计算结果 项目及代号 参数及结果 不通气条件下的轴功率P0,kW 31.278kw 通气条件下的轴功率Pg,kW 272.4kw 轴转数n,r/min 110 多层搅拌器的轴功率 60.054kw 电动机功率 308.2kw 电动机选择 功率:45kw 轴径 传动装置 三角皮带型号和根数 小皮带轮直径/mm 大皮带轮直径/mm 转速：750r/min 125mm 三角皮带 D×8根 ?335 ?1860 备注 计算 计算 根据参考文献[2]选取 计算 计算 根据参考文献【2】选取 根据参考文献【2】选取 根据参考文献【2】选取 根据参考文献【2】选取 根据参考文献【2】选取

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第七章 设计结果与讨论

附表1发酵罐尺寸汇总 项目 全体积（V0） 公称体积1（V） 发酵罐总高（H） 发酵罐筒体高度（H0） 罐体直径（D） 搅拌叶直径（Di） 椭圆封头直边高度（h） 椭圆封头段半轴长度 （ha） 搅拌叶间距（s） 最下一组搅拌器与罐底的距离 （C） 挡板宽度（B） 罐体材料2 焊接方式2 罐体筒壁厚（V1） 封头壁厚（V2） 搅拌器类型3 人孔3 25

结果 50.0455 50 7500 6000 3000 1000 40 750 3000 1000 300 16MnR钢 双面缝焊接 6 16 六弯叶涡轮式搅拌器 1 单位 m3 m3 mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm 个 视镜3 进、排料口直径3

附表2 各项目计算结果 项目 进、出气口直径3 冷却水进、出口直径2 补料口直径3 取样口直径2 温度计直径3 装料系数2 装料体积（V柱） 装料高度（h液） 总发酵热（Q） 冷却水耗量（W） 冷却面积（A） 冷却蛇管总长度（L） 冷却蛇管总高度（H） 蛇管组数2 2 个 ?57?3.5mm 结果 单位 mm m3 ?57?3.5mm ?57?3.5mm ?57?3.5mm ?57?3.5mm 100 70% 31.2 4.42 1.026?106 30637.8 46.8 299.4 3.1 6 5 m kJ/m3 kg/h m2 m m 组 圈 每组蛇管圈数（NP） 26

搅拌器转速3（w） 不通气条件下的轴功率（P0） 通气搅拌功率（Pg） 电机的功率（P） 通气量2（Q通气） 110 31.278 308.2 272.4 7?106 r/min kW kW kW ml/min

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第八章 设计小结

在此次课程设计中，我设计了机械通风发酵罐，该反应器利用谷氨酸棒状杆菌进行谷氨酸的发酵生产，发酵温度为32℃。反应器的材料为16MnR钢；几何尺寸:公称体积为50m3，全体积为50.。455m3，D=3m, H0=6m, B=0.3m, S=3m, C=1m ha=0.75m； 采用6-6弯叶式2层搅拌器，利用45kw的电动机通过125mm的轴驱动；采用的冷却方式为蛇管冷却，冷却蛇管总长为300m，分为6组。总体设计都是为了达到更好的工业效益。

这次的设计是我一个人一组完成的，所以工作量对比以小组为单位的同学来说无疑是大了很多，但整个设计做完之后，我却觉得很满足，因为这次的课程设计又丰富了我专业方面以及软件方面的很多知识。

时间安排上，我花了四天的时间构思以及写说明书，其中有大部分的时候是在计算各种数据，考虑发酵罐的整体造型。有很多次，算到最后发现与事实不吻合，于是又从头检查直到挑出错误的地方，每每那一瞬间，心情像发现新大陆一样的兴奋。

绘图部分花了三四天的时间。第一天是通过手绘设计出我的发酵罐模型，标注好每个部件的数据，随后才开始用软件制图。这是我第一次接触

AutoCAD，所以等于是边自学边绘图，一边看我手绘的图纸，一边翻书找相关的操作步骤，刚开始的时候很辛苦，所以绘图的第一天就画了个发酵罐的大罐体，熟悉之后，进度也就慢慢加快了。

这一次的课程设计，我觉得对于每一个真正花心思花时间去做的人来说，是收获很大的。第一个方面，是久违的繁琐的数据计算。高中时候最喜欢的科目是数学，然而高中毕业之后，好像也就再没有这样一张又一张草稿纸地去计算某个数据了，这一次的课程设计，对于我，或者对于我们来说，都是一次惊喜和让人勾起回忆的经历。其次，是制图软件的使用，21世纪是个智能化的时代，有很多软件与我们的生活或者工作息息相关，然而对于我们未曾开设软件课程的专业来说，自学是我们获得这些技能的唯一途径。第三方面，是对发酵罐的更全面的了解，大学这几年，我们好像接触了很多事物，但是没有自己真正走进或参与的事物都是雾里看花样的飘渺虚无。这一次自己动手设计发酵罐不仅让我对发酵罐有了深入的了解，对于发酵罐相关的工业生产也是有了更进一步的认识。

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参考文献

[1] 胡洪波、彭华松编著.《生物工程产品工艺学》，高等教育出版社，2006.7:53-63.

[2] 郑裕国. 生物工程设备[M],北京,化学工业出版社，2007:56-102. [3] 王选良.谷氨酸发酵[J],《中国酿造》,1986(05):12-20.

[4] 曹军卫、马辉文、张甲耀编著.《微生物工程》,科学出版社,2012:279-302. [5] 于信令.味精工业手册[M],第二版.中国轻工业出版社，2009：70-98. [6] 潘红良、赫俊文编著.过程设备机械设计[M]，华东理工大学出版社，2006.4：112-154.

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