发酵工程课程设计说明书

化学工程与技术学院

《发酵工程》课程设计说明书

班 级： 生物工程0701班 姓 名： 何卫 学 号： 200722153017 设计小组：赵彩云、邓世林、陈来玉、

何卫、何艺 设计课题： 培养基连续灭菌系统设计 设计时间： 2010-9-30 指导教师： 杨忠华老师、周卫老师

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目 录

一、前言........................................................................................................................................... 1 1.1 设计任务 .................................................................................................................................... 2 1.2 技术背景 .................................................................................................................................... 2 二、计算过程 ................................................................................................................................... 4 2.1塔式加热器设计 ......................................................................................................................... 4 2.1.1 导入管径计算 ......................................................................................................................... 4 2.1.2 塔径计算 ................................................................................................................................. 4 2.1.3 蒸汽导管口设计 ..................................................................................................................... 5 2.2 维持罐的设计 ............................................................................................................................ 5 2.2.1 灭菌时间计算 ......................................................................................................................... 5 2.2.2 附属管道设计 ......................................................................................................................... 6 2.2.3 维持罐主体设计 ..................................................................................................................... 7 2.3 换热器设计 ................................................................................................................................ 7 2.3.1 能耗计算 ................................................................................................................................. 7 2.3.2 板式换热器 ............................................................................................................................. 8 三、参考文献及资料 ....................................................................................................................... 8 四、结束语..................................................................................................................................... 10

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一、前言

发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。

发酵工程由三部分组成：上游工程、中游工程和下游工程。其中上游工程包括优良种株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和营养组成）的确定，营养物的准备等。中游工程主要指在最适发酵条件下，发酵罐中大量培养细胞和生产代谢产物的工艺技术。这里要有严格的无菌生长环境，包括发酵开始前采用高温高压对发酵原料和发酵罐以及各种连接管道进行灭菌的技术；在发酵过程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；在发酵过程中根据细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；还有种子培养和生产培养的不同的工艺技术。

以发酵工程为核心内容的生物技术在不断发展，当前，借助微生物培养进行产品生产已涉及医药、化工、轻工、能源、环保等领域，随着发酵工程趋向设备大型化、高效和自动化，对规模化的生产工艺操作和装备设计提出了更高的要求。发酵过程技术性强， 对设备的要求较高。 然而，“染菌”，即在微生物纯种培养过程中，除目的菌以外还有其他微生物存在的现象时有发生，

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由此给企业造成较大的经济损失。 生产实践表明，在造成发酵染菌的原因中， 除了人为操作因素，设备造成的发酵染菌占了很大比例。

培养基连续灭菌系统是发酵工艺中显而易见的至关重要一环。所谓连续灭菌就是将配制好的培养基向发酵罐等培养装置输送的同时进行加热、保温和冷却等灭菌操作过程。

连续灭菌时，培养基能在短时间内加热到保温温度，并能很快被冷却。因此可比在分批灭菌更高的温度下灭菌，而保温时间则很短，这样就有利于减少营养物质的破坏，提高发酵产率。相较间歇灭菌而言，连续灭菌系统具有很多优点，包括营养质量保留较多，易于放大，易于自动控制，糖损较小，灭菌周期缩短，发酵罐利用率高、腐蚀较小，蒸汽负荷均匀。但是连续灭菌系统的设备比较复杂，投资较大，适用于大型发酵罐、大规模发酵生产的液体培养基的灭菌，因此企业投资规划时需要衡量生产效益的实际情况。

1.1 设计任务

培养基连续灭菌系统。

1.2 技术背景

培养基的灭菌方法一般有实消和连消两种方法，连消即将培养基在发酵罐外，通过专用消毒装置，连续不断的加热维持保温和冷却，

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然后进入发酵罐的灭菌方法。 目前应用最广泛的是低压蒸汽喷射器的连消工艺，该工艺既可以提高培养基的灭菌效果， 又可以节约大量的蒸汽和冷凝水。

连续灭菌工艺有很多优点：1、采用高温、快速灭菌，物料受热时间短、营养成分破坏少，消后物料质量好。2、灭菌时间短，发酵罐的利用率高。3、蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高。4、适宜采用自动控制减低劳动强度。5、培养基连续灭菌系统设备。

培养基连续灭菌系统设备由配料罐(池)、送料泵、预热罐、连消泵、加热器、维持罐和冷却器7个关键设备组成。 连续灭菌的工艺流程为： 配料预热——连消泵——连消塔——维持罐——冷却器——发酵罐。

培养基在连消塔中加热达到灭菌温度后，自维持罐的底部进入维持罐，逐渐上升，然后从罐上部侧口处流出罐外。 这段培养液的停留时间为维持罐的保温时间，即实际灭菌时间。连消时如果培养基流速太快， 在维持罐内停留时间太短，则会造成灭菌不彻底，而引起染菌，若培养基流速过慢，培养基成分破坏就增加，培养基质量就不能保证，因此，在连消中除温度严格按规定控制外，流速也需稳定。连续灭菌的成败关键在于培养基在维持罐的温度和时间是否符合灭菌的要求，这一点除了必须严格操作控制外，维持罐的设计合理是非常重要的。

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二、计算过程 2.1塔式加热器设计

培养液比热计算

培养基料液中固形物含量w?8%，固形物比热为C0?1.55kJ/(kg??C),所以有

C?C0w?1?w?1.2kJ/Kg??C 加热蒸汽用量计算 S?kFm?c(t?tp)??cwt?1.2?1000?50?55?1.2?0.5kg/s

2768?135?4.226蒸汽焓I1?2768kJ/kg，蒸液焓I2?696.27kJ/kg，Cw?4.226kJ/(kg??C)

2.1.1 导入管径计算

SV??2dws 4内 因有Ws?20m/s，V?0.273m3/kg,d内=壁厚4mm，w?0.1m/s，d外?0.108m

SV?0.1m

0.785?WS2.1.2 塔径计算

G?SV2?d外?连消塔的塔径 D内?0.785W50?0.5?0.2733600?0.1082?1.4m 0.785?0.1取停留时间??25S,则

H?w??2.5m

取培养基进口管径d=0.1m

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2.1.3 蒸汽导管口设计

在蒸汽导管口开孔，选取开孔的小孔孔径为d孔=5mm，开孔率??0.9，则计算可以得到开孔数 n?（d内20.12）?=（）?0.9=360个 d孔0.0052.2 维持罐的设计 2.2.1 灭菌时间计算

灭菌前培养基料液中细菌密度 Co?107个/mL 选定灭菌后细菌密度为 Cs?0.001个/mL 维持罐中的表压P?0.6mPa，料液体积V?40m3

Co107??4?1017 那么

0.001Cs40?106又有 lgK??14845?36.127?0.2578 T所以，可以得到 K?0.55S?1

轴向彼克列数Pe??，流体在管中呈活塞状态； Pe?0，流体呈全混合状态； Pe?1000，流体呈目标流动状态。 设Pe?1000，??0.5m/s，则有 达姆科勒数Da?Pe4C(1?1?lno)?42.32 2PeCs又有 Da?K?

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可以计算得到 ??2.2.2 附属管道设计

灭菌流量为 V?50m3/h 管道管径d?V???4503600?0.188m ??0.54选取管道为?200?5型号的无缝钢管，则管道长度为 L????0.5?76.95?38.48m

需要进行校核验算，验证Pe?1000是否成立，否则需要重新选型。 校核： ??雷诺数 Re?由Pe?1Dzwd?3600?0.49m/s 0.785?0.192?0.188?0.49?1000?3.1?104 ?33?1050d???l，Dz为轴向扩散系数 d0.678 Dzwd?0.0815?0.292

Re则有 Pe?1Dzwd?l138.48???693.6?1000 d0.2920.188不符合要求，选型失败。 该为选取流速??0.6m/s，则 d?V???4503600?0.17m ??0.64选取管道为?180?5型号的无缝钢管，则管道长度为

L????0.6?76.95?46.17m

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则计算可以得到 ??0.612m/s 雷诺数 Re?d????0.17?0.612?10003?10?3?3.47?104 最终得到 Pe?1D?lzwdd?1367?1000 符合要求。

故培养基的平均停留时间1.28min，选取?180?5型号的无缝钢管，总长度为46.17m。

2.2.3 维持罐主体设计

实际维持罐内停留时间 ?o?4??5.12min 则维持罐体积 V?G?o?4.267m3 选取高径比H/D?1.3,D?1.6m，则计算得到 H?2.08m?2.1m 连消泵选用IR80?60?200型号。

2.3 换热器设计 2.3.1 能耗计算

蒸汽用量计算

(40?D直)?c(T2?T1)?2768?D直 其中??1000kg/m3，c?1.2，T2?135?C,T1?80?C,则有 通过计算得到 D直=0.93m3 冷却水用量计算

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40?103?1.2?（95-30）=142m3 ?水=3（50-28）?102.3.2 板式换热器

板式换热器冷却阶段 Q?m水?c（ ?T2-T1）选取冷却水进出口温度为T2?135?C,T1?80?C，则平均温度为

Tm=T1?T2?39?C 2薄板传热系数K?87.2kJ/?C,

料液 95?C?30?C 冷却水 50?C?28?C 则逆流平均温差?tm=63.8?C。 选取薄板长为L?2m，则换热面积为 A?Q KL?tm板式换热器预热阶段薄板换热器每小时热量 Q?Gpc(T2?T1)?50?103?1.2?55?3.3?106kJ

三、参考文献及资料

[1] 陈国豪编著.生物工程设备.化学工业出版社.2007.10

[2] 刘守强.生物发酵连续消毒过程的改进.发酵科技通讯.2008/04[表示期刊期数,下同]

[3] 王树民.对含有固体颗粒的发酵培养基连续灭菌器的整体设计分析.医药工程设计.1993/06

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[4] 李继泽.发酵培养基连续灭菌工艺的改进.发酵科技通讯.1992/04 [5] 杨钦湘.管式维持器的设计.医药工程设计.1985/06 [6] 高孔明.培养基的连续灭菌.发酵科技通讯.1979/03 [7] 曹震琴.培养基连续消毒和塔高的设计.化学世界.1966/05 [8] 田洪涛、高年发等编著.现代发酵工艺原理与技术.化学工业出版社.2007.01

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四、结束语

结束语

经过两个星期的课程设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过这次设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义。在课程设计过程中的计算、誊写，这其间的蚊虫叮咬和焦虑烦躁，唯有我辈自知。不过在即将结束的时刻回味时，心里还是怀有一些成就感的。

发酵工程这一门课程具有很强应用性要求，课程设计就是理论联系实际，应用课本知识进行实际应用模拟的过程。在课程设计的过程中，我们一方面对发酵工程的基础理论有了更深的理解，逐渐开始融会贯通；另一方面，我们也对工厂设备的设计有了一定的了解，在更深刻体会设计之艰难的同时，也消除了以前心中怀有的对于设计的那种神秘感。

通过课程设计我们初步掌握了发酵工程的基础知识、设计原则和方法；学会了各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握了各种结果的校核方法，能画出工艺流程、发酵设备结构等图形。在设计过程中，不仅要考虑理论的可行性、还要考虑到生产上的安全性和经济合理性。

通过课程设计的训练，我们了解了工程设计的基本内容，增强了

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分析和解决工程实际问题的能力，同时课程设计还使我们树立了正确的设计思想，培养了我们严肃认真、实事求是、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风跟尤为重要。

我还要感谢我的指导老师杨忠华老师和周卫老师对我们的指导和帮助，这对我们这次课程设计的完成非常重要，同时感谢同学之间的互相支持。

限于我的水平，设计当中难免存在不足和谬误之处，恳请老师批评和指正。

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