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1、 生物工程与设备课程设计说明书年产 6 万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设计专业班级：生物工程作者学号：8 作者姓名：张晓勇指导老师：王君高 王兰芝设计日期:2013 年 6 月 18 日至 2013 年 6 月 21 日山 东 轻 工 业 学 院课 程 设 计 任 务 书食品与生物工程 学院 11 级 生物工程 专业 学生 张晓勇 题目：年产 6 万吨味精厂谷氨酸生产机械搅拌通风发酵罐设计一、主要内容：1、物料恒算，计算发酵罐总容积；2、求发酵罐个数，取单罐公称容积 200m3；3、公称容积 200m3 发酵罐设计（罐体尺寸、壁厚、搅拌器类型选择及尺寸设计、搅拌功率计算、搅拌轴直径计算
2、、冷却面积计算与设计）二、基本要求1、 编 写 计 算 设 计 说 明 书 （ 有 前 言 、 设 计 参 数 、 物 料 恒 算 、 发 酵 罐 工 艺 设 计 ， 设 计体 会 ）2、 用 CAD 绘 出 发 酵 罐 结 构 图 。三 、 设 计 参 数1、 糖酸转化率 61% 2、发酵产酸水平 11%3、 发酵周期 32 小时 4、发酵罐充满系数为 0.75、 味精分子式 187.13（C 5H8NO4Na）.H 2O 6、谷氨酸分子式 147.13(C5H9NO4)7、谷氨酸密度取 1.553g/cm3 8、残还原糖 0.8%，干菌体 1.7% 9、谷氨酸提取率 97.5%。 10、谷
3、氨酸生产味精精制率为 125% 11、空罐灭菌压力 0.25MPa 12、年工作日安 330 天计算 四、主要参考资料1郑裕国生物工程设备化学工业出版社 20072高孔荣发酵设备 轻工业出版社 1991.103梁世中生物工程设备轻工业出版社 2002.24化工设备设计全书编辑委员会编搅拌设备设计上海科学技术出版社 19855吴思方发酵工厂工艺设计概论中国轻工业出版社 2007（6）化工工艺设计手册（7）于令信味精工业手册（8）张克旭氨基酸发酵工艺学轻工业出版社完成期限：自 2013 年 6 月 18 日至 2012 年 6 月 21 日指导教师：王君高 王兰芝 教研室主任：一 、 计 算 设
4、计 说 明 书前言机械搅拌式发酵设备和技术在整个制药、生物产品的开发过程中起着特别重要的作用。在众多类型的发酵设备中，兼具通气又带机械搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍，广泛使用于抗生素、氨基酸、柠檬酸等各个领域。标准式发酵罐设计的技术关键在于搅拌技术复杂的气液两相流动问题上。机械搅拌式发酵罐不仅能为制药企业节省可观的投资，还可大大节省能耗等运行费用，同时提高产品产量与收率。在许多过程中，气液接触是十分重要的，气体需要与液体进行充分且有效的接触以提供足够的质量传递或热量传递能力。比如有的氯化和磺化反应是快反应，这需要搅拌器能提供很高的传质强度；有的反应需要吸收难以溶解的氧气，这又需要搅拌器能提供很
5、高的分散能力。早期研究认为，气液分散是气体直接被搅拌器剪切成细小的气泡而形成的。但近年的研究表明，气液分散是受气穴控制的。当气速过大或搅拌转速过低时，整个搅拌器被气穴包裹，气体穿过搅拌器直接上升到液面，发生气泛。气液接触过程的主要有有以下几种：气相和液相需要的停留时间分布、允许压力降、相对质量流率、是否逆流接触、局部混合能力、是否需要补充或移出热量、腐蚀条件、泡沫行为与相分离、反应时需要的流型、反应与传质的关系、层流和过渡区的流变行为等。这些因素又大都与搅拌器关系密切。搅拌槽内的气体分散大致有以下几个状态：气泛状态（大部分气体未分散，气泡沿搅拌轴直接上升到液面） ，载气状态（气体基本得到分散，
6、分布器以下分布不良） ，完全分散状态。1、课程设计的性质通过本次设计使同学对生物工程与设备的理论知识有更深刻的理解，生物工程与设备课程设计为必修课。同时也为将来走上设计岗位的同学打下良好的基础。2、课程设计目的与任务任务：年产 6 万吨味精厂谷氨酸机械搅拌通风发酵罐设计。目的：通过课程设计，使同学对工艺参数确定，物料恒算、发酵罐体积及尺寸确定、罐体机械强度、搅拌功率、搅拌轴及搅拌浆叶强度等计算能力得到锻炼。掌握工程设计基本程序及内容，熟练掌握电脑绘图及绘图质量。二、设计参数1、 糖酸转化率 61% 2、 发酵产酸水平 11%3、 发酵周期 32 小时 4、 发酵罐充满系数为 0.75、 味精分
7、子式 187.13（C5H8NO4Na）.H2O 6、 谷氨酸分子式147.13(C5H9NO4)7、 谷氨酸密度取 1.553g/cm3 8、 残还原糖 0.8%，干菌体1.7% 9、 谷氨酸提取率 97.5% 10、谷氨酸生产味精精制率为125% 11、取 （kw） 12、空罐灭菌压力 0.25MPa01LPV13、年工作日安 330 天计算 三、物料衡算1、 发 酵 罐 总 容 积 计 算发 酵 罐 总 容 积 ， 决 定 于 年 工 作 日 、 每 天 生 产 谷 氨 酸 量 、 发 酵 产 酸 水 平 、谷 氨 酸 发 酵 周 期 、 谷 氨 酸 提 取 率 、 谷 氨 酸 精 制
8、味 精 得 率 等 。（ 1） 年 谷 氨 酸 的 产 量 =年 味 精 产 量 125%=60000/1.25=48000T（ 2） 每 天 的 谷 氨 酸 产 量 =年 谷 氨 酸 的 产 量 330=48000/330=145.45T（ 3） 发 酵 液 密 度33 3/105/05.1 5.928.70.68.286mKgTTm（ 4） 每 天 生 产 发 酵 液 体 积谷 氨 酸 提 取 率发 酵 产 酸 水 平每 天 生 产 谷 氨 酸 量V=145.45/1.050(11%97.5%)=1291.60m3 （ 5） 发 酵 罐 的 总 容 积 = 每 天 生 产 发 酵 液 体
9、积 发 酵 周 期 （ 小 时 ） 总V/24=（ 1291.6032） /24=1722.1m32、 求 发 酵 罐 个 数 ， 取 单 罐 公 称 容 积 200m3查 表 6-2（ 发 酵 工 厂 工 艺 设 计 概 论 P102） 得 公 称 容 积 是 200 的3m发 酵 罐 全 容 积 为 230 。 取 充 满 系 数 为 0.7.(1)单 罐 的 有 效 容 积 计 算=单 罐 公 称 容 积 罐 的 利 用 率 =2000.7=140m3有 效V(2)发 酵 罐 个 数 n 计 算n= / =1722.1/140=12.3总 有 效故 取 13 个 发 酵 罐 。四、发酵罐
10、工艺设计1、发酵罐直径及罐体高度计算根据发酵罐的公称容积，确定发酵罐的尺寸。已知发酵罐直径 D，筒体部分高 ，发酵罐总高 H。0常见的发酵罐的几何尺寸比例如下：H/D=1.72.5 Di/D=1/21/3 取 1/3B/D=1/81/12 C/Di=0.81.0S/Di=22.5 H0/D=2通常，对一个发酵罐的大小用“公称体积”表示。所谓“公称体积” ， 是指罐的通身（圆柱）体积和底封头体积之和。其中底封头体积可根据封头形状、直径及壁厚从有关化工设计手册中查得。标准椭圆形封头体积为：-(1)DhDhVbab 614642221 式中： 椭圆封头的直边高度，bh椭圆短半轴长度，标准椭圆 。aD
11、ha41故发酵罐全体积为：-(2)hHDVb612402（m3） -(3)3005.发酵罐公称体积： 其中 64020DHV20H=200 D=4.9m64020DHV取发酵罐直径 D=5 m 故发酵罐高 =2D=10 m 0取封头直角边 ，一般取值范围为 5055mm，此处取封头直边为 50mm. bh发酵 罐 公 称 容 积 = (H+ + )0V24Dbh61= 55(10+0.05+ 5)=213.58 m3发 酵 罐 总 高 度 = +2( + )=10+2(0.05+54)=12.60mH0ba封 头 体 积 ：= 55(0.05+ 5)=17.33 m3DhVb6142146发酵
12、罐全容积 V= + =213.58+17.33=230.89 m30V1与 查 表 得 公 称 体 积 一 致 。2、发酵罐壁厚计算 CpD2式 中 ： 耐 受 压 强 ， Kg/cm2， 表 压 ；罐 径 ， cm；焊缝系数，双面焊缝 =0.8，无焊缝 =1.0；腐 蚀 裕 度 ， 当 -C 1cm 时 ， C=3mm；C使用不锈钢 0Cr19Ni9，其中钢板许用应力 =130MPa 设计压力为 0.25 1.15=0.3MPa表压=绝对压力-大气压力=0.3-0.1=0.2MPa取不锈钢板厚 7mm。3、搅拌器类型选择与设计搅拌器的设计应使发酵液有足够的径向流动和适度的轴向运动。搅拌叶轮大
13、多采用涡轮式，最常用的是六直叶圆盘涡轮搅拌器、六弯叶圆盘涡轮搅拌器、六箭叶圆盘涡轮搅拌器，圆盘作用是避免底部通入的空气从罐中心上升走短路。为了强化轴向混合，可采用涡轮式和推进式叶轮共用的搅拌体系。为了拆装方便，大型搅拌叶轮可做成两半型，用螺栓连成整体装配于搅拌轴上。搅拌叶轮直径与罐径之比 Di/D=1/21/3。搅拌叶轮类型的选择主要考虑功率准数，混合特性以及叶轮所产生的液流作用力的大小与种类等等。1、 单只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算式 中 Po-不通风时搅拌器输入的功率（W）n-涡轮转数（r/s）D-搅拌器直径（m） -醪液密度（kg/m 3）Np-功率准数若Po单位为kW，n单位为r
14、/min。则：已 知 六 弯 叶 涡 叶 搅 拌 器 叶 轮 直 径 Di， 盘 径 di,叶 弦 长 L， 叶 宽 B，Di： di： L： B=20:15:5:4 搅 拌 器 叶 轮 直 径 Di= D)213(由 Di/D=1/21/3，此时取 Di/D=2/5， 即 ： Di=1/3 D=1.7m。由标准圆盘涡cm685.032.0125953106.4DnNPPo 953106.4nNPPo轮搅拌器尺寸 Di：d：L：B=20:15:5:4 得：圆盘涡轮直径 d= Di 15/20=1.715/20=1.3m, 桨叶长 L= Di 5/20=1.75/20 =0.43m， 桨叶宽 B= Di 4/20=1.74/20=0.34m，采用标准六弯叶圆盘涡轮搅拌器。2、多只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算若是多档搅拌器，两档间距S，非牛顿流体S取2D，牛顿流体S取2.5-3D；静液面至上档间距取0.5-2D, 下档搅拌器至罐底距离C取0.5-1D。符合以上条件，两档搅拌器输出的功率就是单只涡轮搅拌器的2倍：取 （kw/m 3） 两档搅拌 P0=163kw01LPV所以 953953 17.4626.423 nDnNPn =63.1r/min所以n =64 r/min。不通风时实际功率：所以 9539530 107.64.2106.42 nP
