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1、江西科技师范学院生物工程专业化工原理课程设计说明书 题目名称 2m3 产谷氨酸发酵罐的设计 专业班级 2009 级生物工程（1）班 学 号 20091502 20091501 20091483 学生姓名 唐盼 阙素云 周婷 指导教师 常军博士 2011 年 10 月 31 日 优异品+目录一、设计方案的确定11.1 谷氨酸的生产工艺流程11.2 生产原料11.3 发酵菌株21.4 培养基的制备2二、发酵罐主体设计计算32.1 发酵罐主要条件及主要技术指标32.2 罐体选型、几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸的设计计算32.2.1 发酵罐的选型32.2.2 发酵罐容积的确定32.2.3 发酵罐装液
2、量的确定42.3 冷却装置的设计42.4 罐体选料52.4.1 罐体壁厚52.4.2 封头壁厚计算62.4.3 夹套直径62.5 挡板的设计62.6 搅拌器的设计62.6.1 搅拌器的计算62.6.2 搅拌轴功率的计算72.7 管道设计92.7.1 通风管管径计算92.7.2 进出物料管92.7.3 冷却水进出口管径102.7.4 管道接口102.8 仪表接口10三、其他附件选型11四、附录及图纸12附录1计算结果汇总表12附录2计算结果汇总表13五、总结14六、参考文献及资料15一、设计方案的确定1.1 谷氨酸的生产工艺流程谷氨酸的生产主要包括以下工作：谷氨酸发酵的原料处理和培养基的配制；子
3、培养；发酵工艺条件的控制；谷氨酸提取；谷氨酸的精制。发酵法生产谷氨酸的工艺流程如下：斜面淀粉酶空气水解硫酸盐玉米浆镁盐等调 和摇瓶种子中和空气净化系统调pH压滤种子罐预热发酵罐尿素储罐连消等电点沉淀粗谷氨酸图1 谷氨酸生产工艺流程图1.2 生产原料谷氨酸生产时发酵原料的选择原则：首先考虑菌体生长繁殖的营养；考虑到有利于谷氨酸的大量积累；还要考虑原料丰富，价格便宜；发酵周期短，产品易提取等因素。目前谷氨酸生产上多采用尿素为氮源，采用分批流加，以生物素为生长因子。国内大多数厂家用淀粉为发酵原料，主要有玉米、小麦、甘薯、大米等，其中甘薯的淀粉最为常用。少数厂家用糖蜜为发酵原料，主要有甘蔗糖蜜、甜菜糖
4、蜜。1.3 发酵菌株现有谷氨酸生产菌分属于棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属。目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。目前国内各味精厂所使用的谷氨酸生产菌主要有（1）纯齿棒状杆菌AS1.542及其诱变株B9、B9-17-36、F-263等菌株；（2）天津短杆菌T613及其诱变株FM-415、CMTC6282、S9114等菌株；（3）北京棒杆菌AS1.229及其诱变株D110等菌株。本实验选择北京棒杆菌AS1.229。1.4 培养基的制备培养过程：斜面培养 一级种子培养 二级种子培养 发酵罐（1）斜面培养基：葡萄糖0.1%、牛肉膏
5、0.5%、蛋白胨1.0%、氯化钠0.5%、琼脂2.0%、pH7.07.2。 （2）一级种子培养基：葡萄糖2.5%、尿素0.6%、KH2PO4 0.1%、MgSO47H2O 0.04%、玉米浆2.33.0ml、pH7.0。（3）二级种子培养基：水解糖1214%、尿素0.50.8%、玉米浆0.50.6ml、KH2PO4 0.10.2%、MgSO47H2O 0.04%、pH7.0。（4）发酵培养基：水解糖1214、尿素0.50.8%、玉米浆0.6ml、MgSO47H2O 0.06%、KCl 0.05%、Na2HPO4 0.17%、pH7.0。二、发酵罐主体设计计算2.1 发酵罐主要条件及主要技术指标
6、根据常识，一个良好的发酵罐应满足下列要求：结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；有良好的气-液-固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能；在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度；有可行的管道比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。 表1 发酵罐主要设计条件项目及代号参数及结果备注发酵产品谷氨酸由任务书确定工作压力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150由工艺条件确定冷却方式夹套冷却由工艺条件确定发酵液密度由工艺
7、条件确定发酵液黏度由工艺条件确定2.2 罐体选型、几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸的设计计算2.2.1 发酵罐的选型选用机械搅拌通风发酵罐2.2.2 发酵罐容积的确定根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=2.5，则H=2.5D初步选用公称容积为2m3酵罐。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公称体积和上封头体积之和。封头体积 设，根据设计条件发酵罐的公称体积为2m3；罐体直径D=1055.31mm，取整为1100mm；罐体总高度H=2.5D=2.51100mm=2750mm；查阅文献5，当公称直径D=1100mm时，标准椭圆封头的曲面高度ha=275m
8、m，直边高度hb=25mm，总深度为Hf =300mm，内表面积，容积。则此时，与前面的假设相近，故可认为D=1100mm是合适的。发酵罐的全体积：2.2.3 发酵罐装液量的确定设计发酵罐装料系数：取70%发酵罐装料液体积： =公称容积装料系数=270%=1.4 2.3 冷却装置的设计因发酵罐容积小于5m3,故可以采用夹套冷却 发酵产生的总热量： 夹套传热系数： 现取K=4.18220kJ/（m2h） 平均温差：发酵温度t=32；水初温2023，取t1=23；水终温t2=27，则平均温差： 需冷却面积F： 核算夹套冷却面积：按静止液深确定夹套高度静止液体浸没筒体高度 ： 液深：夹套可能实现的冷
9、却面积为封头表标面积S封与圆筒被液体浸没的筒体为表面积S筒之和： 夹套高度应不高于动态时的液面高度，因高于液面的传热面积，并没有起多少冷却作用。综上，传热需要的面积F=5.6m2该设计夹套能提供的冷却面积为S夹=5.78 m2， S夹F，可满足工艺要求。2.4 罐体选料考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式。因糖化酶是偏酸性（pH值为4.5），对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆封头，因D500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。2.4.1罐体壁厚对于带夹套的容器，应该按外牙容器计算壁厚。考虑到冷却水压力与容
10、器内压力又不同时存在的情况，取水压作为容器外压。 S= = ，取整5mm。D罐体直径（mm） P耐受压强 (取0.4MPa)焊缝系数，双面焊取0.8 设计温度下的许用应力（kgf/cm2）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa）C腐蚀裕度，式中 C1钢板负偏差，现取C1=0.8mm C2为腐蚀余量，现取C2=2mm C3加工减薄量，现取C3=0.2mm2.4.2 封头壁厚计算 ，取整为7mm。D罐体直径（mm）； P耐受压强 (取0.4MPa)；y开孔系数，取2.3 ； 焊缝系数，双面焊取0.8；设计温度下的许用应力（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150，170MPa）。
11、2.4.3 夹套直径夹套直径与筒体直径的关系为：2.5 挡板的设计根据全挡板条件：式中 B挡板宽度 B=0.1D=0.11100=110(mm)D罐径D=1100mmZ挡板数： 块，取Z=6块。2.6 搅拌器的设计 采用六弯叶涡轮式搅拌器。2.6.1 搅拌器的计算直径： 叶片宽度：弧长：盘径：叶弦长： 搅拌器间距：底距： 表22m3发酵罐的几何尺寸项目及代号参数及结果备注公称体积（m3）2设计条件全体积（m3）2.44计算罐体直径（mm）1100计算发酵罐总高（mm）2750计算发酵罐筒体高度（mm）2150计算搅拌叶直径（mm）360计算椭圆封头短半轴长（mm）275计算椭圆封头直边高度（m
12、m）25计算底搅拌叶至封头高（mm）360计算搅拌叶间距（mm）1100计算取两档搅拌，搅拌器转速N2，根据50m3罐，110r/min，搅拌器直径D1=1.05m，使用P0/V为基准缩小，求得：2.6.2 搅拌轴功率的计算 通风搅拌发酵罐搅拌轴功率的计算有很多种方法，现在用迈凯尔式求搅拌轴功 率，并由此选择电机。淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体，计算步骤如下： 计算Rem 式中：D搅拌器直径，D=0.36m N搅拌器转速， 醪液密度，=1080 kg/m3 醪液粘度， =210-3Ns/m2将数代入上式：视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7，根据参考文献8得。 计算不通气时的搅拌轴功率 式中：Np在湍流搅拌状态时其值为常数4.7 N搅拌转速，N=3.73r/s Di搅拌器直径，Di=0.36m 醪液密度，=1080kg/m3 代入上式： 两挡搅拌通气搅拌功率Pg的计算 式中：P0
