色氨酸课设

课程设计

题目：年产2000吨L-色氨酸发酵车

间设计

学号：10043105 姓名：胡仲君

指导老师：徐庆阳

第一节 前言

L-色氨酸是含有吲哚基的中性芳香族氨基酸,为白色或略带黄色叶片状结晶或粉末，在水中溶解度1014 g（25℃），溶于稀酸或稀碱，在碱液中较稳定，强酸中分解。微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。它是人体和动物生命活动中必需氨基酸之一，对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要作用，被称为第二必需氨基酸，在生物体内，从L-色氨酸出发可以合成5-羟基色胺的激素以及色素、生物碱、辅酶、植物激素等生理活性物质，可以预防和治疗糙皮病，同时具有消除精神紧张、改善睡眠等功效。另外，由于色氨酸是一些植物蛋白中比较缺乏的氨基酸，用他强化食品和做饲料添加剂对提高植物蛋白质的利用率具有重要的作业，它是继蛋氨酸和赖氨酸之后的第三大饲料添加氨基酸。

目前世界L-色氨酸的年产约为10000多吨，市场增长率超过10%，作为饲料添加剂使用的色氨酸有数百吨，中国主要是高价格限制了她的应用。世界上主要生产厂家是日本的昭和电工、协和发酵和三井化学公司采用发酵方法生产色氨酸，赢创德固赛则兼有发酵法和合成法生产色氨酸。

L-色氨酸的最早生产是靠化学合成法和蛋白质水解法，随着对微生物法生产L-色氨酸研究的不断深入，这种方法已经处于主导地位。微生物法大体上可以分为直接发酵法、微生物转化法和酶法。目前微生物直接发酵法成为色氨酸工业化生产的主流方式。

第二节 设计任务

一、设计题目

年产2000吨L-色氨酸发酵车间设计 二、设计条件

年产量为98.5%以上的结晶色氨酸2000吨。采用口服葡萄糖为原料，生产天数为320天。气候条件极端最高温42℃，最低温-23℃，一般温度为10-30℃。

主要风向：冬夏均为北风。 三、设计技术指标

年产色氨酸：2000吨（98.5% 结晶）； 色氨酸产酸率3.5%； 糖酸转化率18%； 色氨酸总提取收率70%； 发酵周期36h； 通风比1：0.5； 染菌几率1%；

第三节 基本依据

以Escherichia coli TRJH（trpEDCBA+tetR）为生产菌株，通过流加葡萄糖进行补料分批发酵。 一、 原料的选择

根据原料来源、利用效率和运输成本等因素综合考虑，最终决定采用口服葡萄糖作为本设计L-色氨酸的发酵原料。 二、 菌种的扩大培养 （一） 斜面菌种的培养

菌种的斜面培养条件必须有利于菌种生长并且不产酸，并要求斜面菌种绝对纯化单一，不得混有任何杂菌或噬菌体。培养条件要菌种繁殖有利，培养基以多含有机氮，少含糖为配置原则[9]。

活化斜面培养基的组成如下：

酵母粉5g，蛋白胨10g，NaCl 5g，盐酸四环素 50μg/mL，琼脂条20g。 灭菌条件：75KPa，蒸汽灭菌20min

培养条件：温度28℃，培养20-24小时。每批斜面菌种培养完成后，要仔细观察菌苔生长情况，菌苔的颜色和边缘等特征是否正常，有无感染杂菌的迹象，如果发现异常状态，则坚决不使用，斜面菌种保存在冰箱中待用。

斜面菌种的培养是生产过程中的重要环节，操作必须严格认真，无菌室要加

强管理，经常打扫和灭菌，防止杂菌和噬菌体的污染。

生产中使用的斜面菌种不宜多次移接，无特殊情况最多只能移接三次，以免由于菌种的自然变异引起菌种不纯，在生产使用中要不断提供新的斜面菌株。 （二） 一级种子培养

一级种子培养的目的大量繁殖活力强的菌体，培养基的组成应少含糖，多含有机氮，培养条件从有利于长菌考虑。

建议采用三角摇瓶培养，而是培养大型斜面作为一级种子使用。一次制备一大批斜面一级种子，储存于冰箱中，供工厂使用一星期左右，这种手法的优点是利用固体培养物比液体培养物好保存的特点，一次制备一批大型斜面，而不是每天制备液体一级种子。

操作要点：先用无菌水冲洗生长相对良好的活化菌种斜面2支，使用玻璃刮刀全部刮下，转入干灭好的三角瓶中，在酒精灯旁接入5L自动控制种子罐中，5L种子罐中装液量2L，温度控制32℃，自动流加氨水控制pH在7.0，通风量200L/h，初始搅拌转速300r/min，通过流加泡敌消泡，种子培养14h[11]。 （三）二级种子培养

为了获得发酵所需的足够数量的菌体，在一级种子培养的基础上进而扩大到发酵罐的二级种子培养。种子罐容积的大小取决于发酵罐的大小和种量的比例。

操作要点：5L种子罐种子以10％接种量(600mL)、火焰接种方式接入10m3自动控制发酵罐中，装液量为60%左右，温度控制36℃，自动流加氨水控制pH在7.0，通过流加泡敌消泡，通风量200L/h，初始搅拌转速300r/min，发酵40h。 三、 影响种子质量的主要因素 （一） 培养基的构成

种子培养基要求含有丰富的氮源，足够的生物素，少量的碳源，以利于菌体生长，如果糖分过多，菌体代谢活动旺盛，生产有机酸，使pH降低，菌体容易衰老。 （二） pH

开始培养时（零时），pH不宜过高；培养结束时，pH不宜过低；pH上升后有所下降时，培养时间已接近结束。总体应保持PH在7.0左右，这样有利于菌

体生长。 （三） 温度

幼龄菌对温度变化敏感，应避免温度过高和波动过大。应控制温度在28℃。 （四） 溶解氧

长菌阶段对氧要求比发酵时高，溶氧水平过低，将抑制长菌。 （五） 接种量

种量过少，菌体增长缓慢，适应期长，培养时间长，影响种子活力。但种量过大，在摇瓶操作中易引起污染，一般种量以10%左右。 （六） 培养时间

培养时间不宜过长，以12-16小时为好，以对数生长期作为种子接入发酵罐。

第四节 发酵工艺流程

一、 发酵罐发酵培养基组成（g/L）及发酵条件

培养基成分 葡萄糖 酵母浸出粉 (NH4)2SO4 柠檬酸 柠檬酸三钠 MgSO4·7H2O KH2PO4 KCl FeSO4·7H2O 四环素 微量元素混合溶液 最终浓度(g/L) 20 1 4 1 1 3.15 1.5 1.9 75.6mg 50mg 4mL 发酵条件：在含碳、氮及无机盐等的培养基中经过灭菌冷却接种后通入无菌空气，温度控制在30-37℃，pH 6.5～7.0经过发酵，培养而得L-色氨酸发酵液。 二、 分过滤器的灭菌

在0.1MPa压力，灭菌30分钟，然后用空气吹干备用。 三、 空消

在0.15-0.17MPa压力，温度128℃左右，灭菌30分钟。 四、 实消

料液投入罐后加水定容，关闭罐盖，夹套预热至95-105℃，直接进蒸汽加热至121℃，在0.1Mpa压力下保温10分钟。冷却降温至31.5℃，用氨调PH至6.5-7.0（PH计）后等待接种。 五、 移种

采用压差法将种子液压入罐内（移种管道在接种前在0.15Mpa压力下蒸汽灭菌60分钟）。 六、 发酵培养

发酵罐发酵：根据溶氧的要求对通风量和搅拌转速进行调节，通过控制不同的搅拌转速和通风量来控制不同的体积溶氧水平。通过自动流加25%的氨水控制pH在6.5～7.00；培养温度30～37℃；,发酵过程泡沫较多时，通过消泡泵手动加入已灭菌的消泡剂进行消泡，消泡剂为聚丙二醇；发酵过程中每隔2h取样进行发酵特定参数的测定。

口服葡萄糖 发酵 过滤除菌 二级种子培养 斜面培养 空气压缩机 一级种子培养 冷却 气液分离 菌种 空气 发酵液

配料

第五节 发酵过程计算

微膜分离 浓浆菌体蛋白 菌体蛋白饲料 板框过滤 技术参数计算：

一年的发酵液量：2000 × 98.5% ÷ 70% ÷ 3.5% ÷ 99% = 81221（吨）<进一法取值,以保证发酵液足量>

因发酵周期为36小时，考虑到准备过程（投料1h，空消、实消和管路灭菌共2h，放罐1h，洗罐及其他1h）所以生产周期为41小时。

一年发酵的批次数：320 ×24 ÷ 41 = 188 每批的发酵液量：81221 ÷ 188 = 432.03（吨） 设发酵罐装液量为75％

则一批发酵罐总容积：432.03÷ 75％ = 576.04（吨） 设每个发酵罐的容积为50吨

则发酵罐的个数：576.04÷50 =12（个） 逆推核算：

12个发酵罐一批发酵液量：12×50×75%=450（吨） 一年总发酵液量为：450×188=84600（吨）

年产色氨酸量：84600×99%×70%×3.5%÷98.5%=2083.22（吨） 经核实设计合理。 技术参数列表如下：

项目

一年发酵的批次数 生产周期 每批发酵液量

98.5%L-色氨酸2000t/Y 188 41h 432.03t

发酵罐装液量 发酵罐罐容 发酵罐个数

75％ 50 m3 12个

物料衡算：

81221×3.5%÷18%×98.5%=总糖-2%

总糖=15873.55 流加糖浓度60%

（81221-V）×60%+V×2%=15873.55 V=56653.6

81221-56653.6=24567.4 葡萄糖 V×2%=1133.1 酵母浸出粉 V×0.1%=56.7 (NH4)2SO4 V×0.4%=226.6 柠檬酸 V×0.1%=56.7 柠檬酸三钠 V×0.1%=56.7 MgSO4·7H2O V×0.315%=178.5 KH2PO4 V×0.15%=85.05 KCl V×0.19%=107.73

能量衡算：

一、发酵工序耗水量计算

发酵过程中的水的消耗主要来自于配料、洗罐及冷却过程。 （一） 配料用水

因为葡萄糖溶于水的过程中体积变化较小，故配料用水量约为发酵液用水量。设配料用水量为：81221吨每年 （三）冷却用水

本设计拟采用50m3的小型发酵罐，因此蒸汽消毒过程采用实消的工艺。实消过程中耗用冷却水量可用以下公式计算：

eKF/WC2?

W?t1?t2s

t1?t2

KF

C2lnA[3]

式中：W—冷却水的用量，Kg/h A—冷却水流量 C2—冷却水的比热容，KJ/(Kg.℃) F—传热面积，m2 K—平均传热系数，KJ/(m2.h.℃)

t1—培养及冷却过程在某时间段的温度，℃ t2—对应培养基t1温度时冷却水出口温度，℃ t2s—冷却水进口温度，℃

蛇管和传热系数通常为1260—1680 KJ/(m2.h.℃)，这里取1500 KJ/(m2.h.℃). 已知:t2s=15℃，C2=4.191 KJ/(Kg.℃)，t1=75℃，t2=25 ℃，计算得：

A?t1?t2s75?15??1.2 t1?t275?25

对于发酵罐：

F1?2?rH?2?3.14?W1?3.1?6?58.4m2 21500?58.4?114644.68kg/h?880471.1t/a

4.191?ln1.21.8?3.6?20.35m2 2种子罐：

F2?2?rH?2?3.14?W2?1500?20.35?39948.96kg/h?306808t/a

4.191?ln1.21.8?3.6?20.35m2 2补料罐：

F3?2?rH?2?3.14?W3?1500?20.35?39948.96kg/h?306808t/a

4.191?ln1.2 接着对发酵过程中的耗用冷却水量进行计算。已知发酵过程中的发酵热为4.186×4200kJ/m3?h，取装料系数为0.75，冷却水进口温度t1=15℃；出口温度t2=25℃，则发酵过程中所需冷却水的量为：

W水?Q4.186?4200?50?0.75==15772.6kg/h=121133.6t/a

C水(t2?t1)4.18?(25?15)本设计选用10m3的种子发酵罐，取填充系数0.75，则种子罐需要冷却水的量为：

Q，4.186?4200?10?0.75W???3154.5kg/h?24226.56t/a

C水（t2?t1）4.18?（25?15）’水本设计采用循环用水的方式，为了节约水资源，本设计采用循环冷却水，主要满足制冷机和车间工艺的需要，经计算循环冷却水日用水量为454.25m3/d。 每年冷却水用量约为：454.25×320=145360m3/a 二、耗电量的计算

取发酵过程中耗电功率为65kw/h，平均功率为总功率的90% 则年用电量约为95.1×105kWh。

三、压缩空气消耗量的计算 压缩空气消耗量的计算公式为：

Qg?n?(VVm)VL

式中:?(VVm)—单位体积培养液在单位时间内通入压缩空气量，m3/min VL—培养液体积，m3 n—发酵罐台数

则发酵罐的无菌空气消耗量为：

V=12×0.4×37.5=180m3/min

取种子罐的空气消耗量为发酵过程空气耗量的25%,则种子罐的无菌空气消耗量为：

V种=25%V=0.25×180=45m3/min

四、蒸汽消耗量的计算

发酵蒸汽消毒的方法有实消和连消两种，发酵中实罐消毒蒸汽用量较大，蒸汽直接进入罐中与发酵液混合加热使罐温快速升高至较高温度后再进行保温灭菌。通过通入蒸汽使罐温从预热的75-85℃迅速上升到120?2℃，然后在此温度和0.10?0.05MPa上进行保温灭菌。在计算过程中，首先计算直接蒸汽混合加热用气量，然后保温时间内的蒸汽耗用量按升温用气量的30-50%进行计算。

（一）直接加热蒸汽耗量

直接加热蒸汽耗量可用以下公式计算：

D1?GC(t2?t1)i?Ct2(1??)

式中，i —蒸汽的热焓，Kcal/Kg G—培养基质量，Kg

C—培养基比热容，KJ/(Kg·℃) η —热损失，5%~10% t1—加热结束时的料液温度，℃ t2—加热开始时的料液温度，℃

已知:i取650Kcal/Kg，C取4.18 KJ/(Kg·℃)，η取8%，t2=120℃，t1=30℃ 发酵罐培养基密度ρ=1100kg/m3 发酵罐培养基质量G1=50×0.75×1100=41250kg

D1?GC（t2?t1）41250?4.18?（120?30）（1??）?（1?8%）?7565.1kg

i?Ct2650?4.18?4.18?120取种子罐培养基密度为ρ′=1030kg/m3 种子罐培养基质量G1’=10×0.75×1030=7725kg

'G1C（t2?t1）7725?4.18?（120?30）D2?（1??）?（1?8%）?1416.7kgi?Ct2650?4.18?4.18?120

取补料罐培养基密度为ρ?=1150kg/m3 补料罐培养基质量G2?=10×0.75×1150=8625kg

D3???C（t2?t1）G28625?4.18?（120?30）（1??）?（1?8%）?1581.8kg

i?Ct2650?4.18?4.18?120（二）灭菌保温时的蒸汽耗量

本设计取保温时耗蒸汽量为加热时耗蒸汽量的40%，则 发酵罐：D1′=D1×0.4=7565.1×0.4=3026.04kg 种子罐：D2′=D2×0.4=1416.7×0.4=566.68kg 补料罐：D3′=D3×0.4=1581.8×0.4=632.7kg （三）总蒸汽耗量

发酵罐：D发=D1+D1′=7565.1+3026.04=10591.14kg 种子罐：D种=D2+D2′=1416.7+566.68=1983.38kg 补料罐：D补=D3+D3′=1581.8+632.7=2214.52kg

总蒸汽年用量为：（10591.14 ×18+1983.38×3+2214.52×3）×188=3.82万t/a

第六节 设备的设计和计算

一、 发酵罐的设计

机械搅拌通风发酵罐在生物工程工厂中得到广泛使用，具不完全统计，它占了发酵罐总数的70～80%，故又常称之为通用式发酵罐。这种发酵罐大多用于通风发酵，靠通入的压缩空气和搅拌叶轮实现发酵液的混合、溶氧传质，同时强化热量传递。

发酵罐灭菌压力一般不超过0.25MPa，属于一类压力容器范围。因此，需按GB150-89《钢制压力容器》有关规定进行设计。本设计选用50m3发酵罐，因其使用周期长，故采用不锈钢（0Cr19Ni9）制造。采用整体组焊结构，除设人孔外，还设有直梯。人孔尺寸设计时除考虑到便于人员进出外，尚应考虑罐内最大部件的搬进搬出。

罐体由圆柱体及椭圆形封头焊接而成。材料为碳钢或不锈钢。对于大型发酵罐可用衬不锈钢或复合不锈钢制成。衬里用的不锈钢厚度为2～3mm。为了满足工艺要求，罐需要承受一定的压力，通常灭菌压力不超过0.25MPa（绝对大气压）。

本设计采用50m3具有溶氧速率高、混合效果好的机械搅拌通风发酵罐。 （一） 发酵罐直径的计算

高径比：H/D=1.7～3.5，取H/D=2.4

?由4D2H?V3.14?D2?2.4D?50m3，即4，得D=2.983m，取D=3000mm

H---发酵罐的罐身高度 D---发酵罐的直径 V---发酵罐的圆筒体积 （二） 发酵罐主要尺寸确定

H/D=1.7～2.5，取H/D=2.4，则H=3000 × 2.4 = 7200mm B/D=1/8～1/12，取B/D=1/10，则B=3000 ÷ 10 = 300mm Di/D=1/2～1/3，取Di/D=1/3，则Di=3000 ÷ 3 = 1000mm S/Di=2～5，取S/Di=3，则S=1000 × 3 = 3000mm C/Di=0.8～1.0，取C/Di=0.9，则C=1000 × 0.9 = 900mm H0/D=2，则H0=3000 × 2 = 6000mm B---挡板宽度 Di---搅拌叶轮直径 S---相邻搅拌叶轮间距 C---下搅拌叶轮与罐底距离 H0---罐高

（三） 发酵罐容积的确定

发酵罐是由圆柱型桶体和上下两个椭圆形封头组成的。 椭圆形封头的容积：

V1??D?3.143.0???3D2?hb????3.02??0.025???3.709m46?46???

hb------椭圆型封头的直边高度（m），取0.025m 发酵罐全容积：

V0??4D2H?0.15D3?3.14?3.02?7.20?0.15?3.03?52.218m34

（四） 罐壁厚的确定

发酵罐在使用过程中，内部承受一定的压力，如灭菌时蒸汽压力，运转时的应力，搅拌时的震动及装液负荷等，同时考虑到各种接口的影响，罐体应有一定的强度，并且为了防止渗漏，在投入前应进行试验，以保证安全生产。

1. 内压圆筒壁厚度的计算：

?1?pD230?????p?C?0.275?3000?3?3.028mm230?130?1.0?0.275

P------耐受压力（一般为最高操作压力×1.1）（MPa表压），取0.275 D------发酵罐的内直径（mm）

[σ]------许用应力（MPa），采用0Cr19Ni9钢，取130MPa（t：20～700℃）

Ф------焊缝系数取1.0，无焊缝

C------腐蚀裕度，当δ﹣C＜10mm时,C = 3mm 2. 椭圆形封头厚度的计算：

发酵罐上封头要开入孔、轴孔等各种接口，削弱了封头的强度，封头在工作过程中受蒸汽压缩空气的冲压以及封头底有进风管吹入，载荷集中，采用如下公式：

?2?pDy0.275?3000?2.3?C??3?3.073mm200????200?130?1.0

y---开孔系数，对发酵罐可取2.3 [σ]---许用应力

综上，取壁厚为4mm。 参数汇总表：

发酵罐的圆筒体积V 发酵罐的直径D 发酵罐的罐身高度H

挡板宽度B 搅拌叶轮直径Di 相邻搅拌叶轮间距S 下搅拌叶轮与罐底距离C

罐高H0 椭圆形封头的容积V1 发酵罐全容积V0 内压圆筒壁厚度δ1 椭圆形封头厚度δ2 发酵罐壁厚δ

二、 冷却装置的确定 （一） 冷却管装置

有夹套式、竖式蛇管、竖式列管换热装置三种。夹套式一般用于容积较小的

50m3 3.0m 7.20m 0.30m 1.000m 3.000m 0.9m 6.0m 3.709m3 52.218 m3 3.028mm 3.073mm 4mm

发酵罐、种子罐，不适于本设计。后两种适用于容积较大的发酵罐的冷却，前者适用于气温较高，水源充足的地区，传热系数小，耗水量大，从多方面因素考虑，本设计采用外部盘管内部竖式蛇管换热装置[7]。 （二） 冷却面积的计算

色氨酸发酵过程中为保证微生物生长最旺盛时耗用基质多及气温最高时期的降温，一般以每年最热的三个月每小时放出的热量作为设计冷却面积时的依据，根据不同类型的发酵罐测得每小时供给冷却器最大面积为：4.186×4200kJ/mh。

1. 热负荷的计算：

q=4.186×4200kJ/m3h=4.186×4200×1000/3600=4883.7W/ m3 则总热负荷Q=q V0=4883.7×52.218×75%=1.91×10W 2. 传热温度的计算：

发酵液温度：因为色氨酸发酵为31.5℃下的恒温发酵，所以取均温-----31.5℃ 采用循环冷却水冷却，设冷却水进口温度t1=15℃；出口温度t2=25℃；则平均传热温度为：

?tm?53?T?t1???T?t2??10.74℃ ln??T?t1???T?t2?? 23. 传热面积的计算： 取总传热系数k=550w/mK

F=Q/kΔt=1.91×10/(550×10.74)=32.33 m 4. 管径选择：

d=[Vs/(πw/4)]=[2×10/(3.14×0.5/4)] =0.071m d------蛇管内径 m

Vs------体积流量，按体积流量为2×10 m计算 w------流体流速m/s，由盘管管程选流速0.5m/s

因此，由《压力容器与化工设备使用手册》选用内径为71mm，外径为75mm，壁厚为2mm的不锈钢钢管。

?331212m52?3

5. 冷却管长：

l=F/πd=32.33/（3.14×0.071）=145m 6. 冷却管组数及安装尺寸的确定：

本设计采用8组合式蛇管，为减少蛇管的传热面积，气温高可以考虑外喷式冷却。发酵罐的圆筒部分面积为S=πDH=3.14×3.0×7.20=67.824m

若冷却水初温相同，根据厂测定，外喷淋冷却的效果可达到蛇管冷却效果的60～70%，设圆筒冷却效果为蛇管的65%即67.824×65%=44.08 m

蛇管总长度：l =44.08/3.14×(0.075-0.004)=198m 将蛇管分为8组，则每组蛇管长度为l =198/8=24.75m 设每根管两部分弯曲占去500+500=1000mm 则蛇管高为24750-1000=14750mm 三、 搅拌桨叶的设计

（一） 设计搅拌桨叶的目的及作用

氨基酸生产菌仅能利用发酵液溶解氧进行呼吸和代谢作用。若发酵液未能经强化供氧时，氧的溶解度很小，远远不能满足代谢过程中的氧的需求量，故采用机械搅拌进行强化供氧。同时能打破气泡，使气、液、固三相充分混合，增加氧的溶解度使发酵液形成湍流，延长气泡在发酵液中停留的时间，提高氧的利用率，增加冷却效果，以利于氧的传递及菌体对营养物的利用。 （二） 搅拌桨叶形成的确定

发酵罐的搅拌桨叶采用圆盘的涡轮式搅拌桨叶，它可阻挡由上而下的无菌大气泡，避免从轴部的叶片空隙上升，保证气泡的分散，而涡轮式又分为平叶式、弯叶式和箭叶式三种。本设计采用的是六弯叶涡轮式搅拌桨叶。

容器内径：D=3.0m 容器底形式：椭圆形封头 容器内液柱高度：H=7.20m

搅拌桨叶叶径：Di=D/3=3000/3=1000mm

叶轮桨叶数量：Zj=6， 叶轮桨叶的间距：S=3Di =3m 叶轮与容器底距离：C=0.9 Di =0.9×1000=900mm

22叶宽：B1=0.2 Di =0.2×1000=200mm, 弧长l =0.375 Di =375mm 盘径：di =3/4 Di =0.75×1000=750mm （三） 搅拌功率的计算

1. 搅拌桨叶的操作条件：

液体相对密度：1040kg/m， 液体相对黏度：μ=2×10Pa·s 2. 搅拌桨叶叶轮转速：

n?88??2.55r/s?153r/min?Di3.14?1.0

3?33. 搅拌液体流动的雷诺准数：

Re= Dinρ/μ=1.0×2.55×1040/2×10=1.326×10>10

因此为湍流状态，此时功率准数为Np=4.8，搅拌桨叶叶轮档校正系数为A=0.5

4. 搅拌桨叶轴功率：

P=Aρn3 Di5NpФ=0.5×1040×2.553×1.05×4.8×2=83kW

A-----色氨酸发酵时，以列管代替挡板以及各部尺寸比拟放大后测得的搅拌功率系数。通风时为0.4-0.6，本设计取0.5。

ρ-----液体密度1040 kg/m n------搅拌桨叶转速（r/s）

Di------搅拌桨叶直径，由前计算为1100mm Np------六弯叶时功率准数取4.8 Ф-----拌器组数为2组 5. 电动机的选取：

选择Y4002-6型电动机，其数据如下：

额定功率65kW， 额定电流33.8A， 同步转速1000r/min， 效率93.5%， 功率因数0.83，

堵转转矩/额定转矩1.25， 堵转电流/额定电流5.73A， 最大转矩/额定转矩1.8， 重量800kg。 四、 搅拌轴的设计

322?363（一） 按扭转强度计算

d ≥ A(P/n)

13=133×(124/139)=128 mm

13 d------轴径，mm P------轴传递功率kW n------轴转速139r/min

A------随许用扭剪应力变化的系数，弯矩小、材料强度高，钢度要求不严格则取较小A值，对传动轴材料为A4钢，取A=133 （二） 按扭转钢度计算

d ≥ C(P/n)

14=108.9×(124/139)

14=105.8 mm

d------轴径，mm P------轴传递功率kW n------轴转速139r/min

C----按每米长度许用应力扭转角，一般传动[Ф]=0.5-1.0deg/m，取0.5， 则C=108.9

所以，取d=150mm，A4钢。 五、 轴上零件的设计 （一） 轴承的选择

为支撑和固定转轴并使转轴顺利转动需安装轴承，发酵罐有上轴承、中轴承、底部只有推轴承。

上轴承：选用较宽系列滚子轴承3524，标准号GB-286-64,孔径d=120mm。 中轴承：在轴上安中轴承的部位焊上10mm厚的耐磨铁（KF2）一般可用结构简单，不加润滑轴承，取宽径比B/d=0.8。 （二） 消泡器的设计

色氨酸发酵会产生较多的泡沫，在此时及时消除，否则影响正常操作。大量泡沫随气流溢出，造成发酵液损失，易引起染菌，现采用消泡效果好的梳式消泡器，其长度均为发酵罐直径的0.65倍，即L=0.65×3000=1950mm。 （三） 连轴器的设计

轴分为4级用连轴器使上下搅拌器成牢固的刚性连接，用夹壳连轴器连接，为减少震动，装上轴承和底轴承。 （四） 轴封

轴封的作用是使罐顶、罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和染菌，常用的有填料函和端面轴两种。本设计采用端面轴封，罐底采用双端面，其他部分用单端面轴封，端面轴封有清洁、密封可靠、无死角、寿命长、摩擦功率耗损小、轴或轴套不受磨损、对轴的震动敏感性小等优点。 六、 空气分布装置

罐压0.02MPa（表压），罐温36℃，在最大通风比为1∶1.2时，培养基量为160m。

（一） 液柱高的计算

椭圆型封头的容积：前面已经计算过为3.709 m

最大通风量时液柱高H1=（V培-V1）/（πD/4）=（160-3.709）/（3.14×3.0/4）=22.12m

22.12则封管出口压力为P2=0.02+100+0.1=0.3412MPa

2233（二） 进发酵罐空气量Q

Q= V培×1.2×0.1/P2×（273+31.5）/（273+31.5）

160?1.2?0.1?304.530.3412?304.5==56.27m/min （三） 进风管管径的计算

取分布管出口流速w=20m/s，

4?56.2712d= (4Q/πw) = (3.14?20?60)= 0.2444m

12 取无缝钢管Ф133×5（管内选用不锈钢管） （四） 风管出口最大压力

最终定容160m（用流加法发酵）

3160?3.709则液柱高H=0.785?4.72+1=42.18m

风管出口最大压力为：P2m=0.02（表压）+42.18/100+0.1=0.54MPa （五） 贮气筒压头P的计算（供气最低极限压力）

空气输送管道阻力：0.02 MPa

二级空气过滤器阻力：0.02×2=0.04 MPa P=0.02+0.04+0.54=0.60MPa（绝压）

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