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1、- 1 -课程设计报告课程设计报告课程名称： 生物工艺原理 题 目： 10kg/d SCP 连续发酵恒化器装置的设计 学 院： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 起讫日期： 指导教师： 2020 年年 月月 日日- 2 -目目 录录一、课程设计目的一、课程设计目的 33二、课程设计要求二、课程设计要求 33三、课程设计内容三、课程设计内容 331、单细胞蛋白的介绍、单细胞蛋白的介绍 332、恒化器介绍、恒化器介绍 333、工艺参数的计算、工艺参数的计算 444、发酵罐设计、发酵罐设计 444.14.1 发酵罐的型式发酵罐的型式 444.24.2 标准式发酵罐标准式发酵罐 554.34.3 传热
2、传热664.44.4 变速搅拌变速搅拌 664.54.5 发酵罐的能量消耗发酵罐的能量消耗 775 5、测量仪表和控制、测量仪表和控制 776 6、生产菌株的选取、生产菌株的选取 887 7、生产单细胞蛋白质的原料、生产单细胞蛋白质的原料 888 8、简易工艺流程图、简易工艺流程图889 9、发酵罐设计图、发酵罐设计图 99四、课程设计心得体会四、课程设计心得体会99五、参考文献五、参考文献1010- 3 -一、课程设计目的一、课程设计目的（1）结合所学的生物工艺学的理论知识完成连续发酵恒化器课程设计；（2）通过该设计学会并掌握常用发酵装置参数的选择和调控方法；（3）提高自己综合分析问题和解决
3、问题的能力。二、课程设计要求二、课程设计要求（1）恒化器中的 SCP 含水量为 80%；（2）细胞的比生长速率 =0.45；（3）必须采用连续稳态恒化操作 。三三、课课程程设设计计 内内容容1 1、单细胞蛋白的介绍、单细胞蛋白的介绍单细胞蛋白所含的营养物质极为丰富。其中，蛋白质含量高达 40%80%，比大豆高 10%20%，比肉、鱼、奶酪高 20%以上；氨基酸的组成较为齐全，含有人体必需的 8 种氨基酸，尤其是谷物中含量较少的赖氨酸。一般成年人每天食用 1015 g 干酵母，就能满足对氨基酸的需要量。单细胞蛋白中还含有多种维生素、碳水化合物、脂类、矿物质，以及丰富的酶类和生物活性物质，如辅酶
4、A、辅酶 Q、谷胱甘肽、麦角固醇等。 优点单细胞蛋白具有以下优点：第一，生产效率高，比动植物高成千上万倍，这主要是因为微生物的生长繁殖速率快。第二，生产原料来源广，一般有以下几类：农业废物、废水，如秸秆、蔗渣、甜菜渣、木屑等含纤维素的废料及农林产品的加工废水；工业废物、废水，如食品、发酵工业中排出的含糖有机废水、亚硫酸纸浆废液等；石油、天然气及相关产品，如原油、柴油、甲烷、乙醇等；H2、CO2 等废气。第三，可以工业化生产，它不仅需要的劳动力少，不受地区、季节和气候的限制，而且产量高，质量好。2、恒化器介绍、恒化器介绍连续培养基(即恒化器)是由一个与水浴相连的水膜包围着的,温度(恒定)控制在
5、20的夹层(双壁)玻璃容器(管)构成的. 将微生物或动植物的细胞在一定量的培养基中进行培养的一种方法。是连- 4 -续培养的对应词。 分批培养所培养的细胞，通常是经过停止期、对数期、静止期的生长过程。在培养过程中，常有因培养基成分、细胞密度等发生变化，使细胞环境不能保持一定的欠缺，但所使用装置和方法均较连续培养法简便，所以被广泛使用。 恒化器培养微生物不经过“四个阶段” ，菌群基本是在对数生长期旺盛生长，产量很大。3 3、工艺参数的计算、工艺参数的计算根据设计要求可知：发酵罐中的一天可生产的 SCP 湿重10kg/(1-0.8)50kg故料液的流速 F50kg/24h2.08kg/h在稳态条件
6、下，dX/dt0,即 uXDX由于稀释率 DF/V，那么uXVF2.08kg/h又因为细胞浓度要保持在 2050g/L，取细胞浓度为 35g/L则VpCc2.08/0.45(其中 Vp 是发酵液的体积，Cc 是细胞浓度)综合以上数据求得Vp132.1L规定发酵液的体积只占用发酵罐的体积的 3/4，则发酵罐的体积为 VVp0.75176.1L规定发酵罐的体积为 V实际实际170L4 4、发酵罐的设计、发酵罐的设计4.14.1 发酵罐的型式发酵罐的型式发酵过程可以通过固体培养和深层浸没培养来完成,从生产工艺来说可分为- 5 -间隙分批、半连续和连续发酵等,但是工业化大规模的发酵过程,则以通气纯种培
7、养为主。通过纯种培养的发酵罐有自吸式发酵罐、标准式发酵罐、气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐和多孔板塔式发酵罐等。自吸式发酵罐系通过发酵罐内叶轮的高速转动,形成真空将空气吸入罐内,由于叶轮转动产生的真空,其吸入压头和空气流量有一定限制,因而仅适用对通气量要求不高的发酵品种;塔式发酵罐是将发酵液置于多层多孔塔板的细长罐体内,在罐底部通入无菌空气,通过气体分散进行氧的传递,但其供氧量也受到一定限度;气升式发酵罐、喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐均是通过无菌空气在罐内中央管或通过旋转的喷射管和罐外喷射泵将发酵液进行一定规律的运动,从而达到气液传质,目前气升式发酵罐在培养基较稀薄,供氧量要求不
8、过分高的条件下(如(V1C 发酵)得到了较为广泛使用,其它喷射式叶轮发酵罐、外循环发酵罐也有一定的用途;但在发酵工业中,仍数兼具通气又带搅拌的标准式发酵罐用途最为普遍,标准式发酵罐被广泛使用抗生素、氨基酸、柠檬酸等各个领域。4.24.2 标准式发酵罐标准式发酵罐随着发酵产品需求量增加,发酵过程控制和检测水平提高,发酵机理的了解和最优化的机理认识水平提高,以及空气无菌处理技术水平的提高,发酵罐的容积增大已成为抗生素工业的趋势。4.2.14.2.1 罐的几何尺寸罐的几何尺寸主要是关心发酵罐的 H/ D,一般随着罐体高度和液层增高、氧气的利用率将随之增加,容积传氧系数 KLa 随之提高,但其增长关系
9、不是线性关系,随着罐体增高, KLa 的数值增长速率随之减慢,而随着罐体容积增大,液柱增高,进罐的空气压力随之提高,伴随空压机的出口压力提高和能耗的增加,而且压力过大后,特别是在罐底气泡受压后体积缩小,气液界面的面积可能受到影响,过高的液柱高度,虽增加了溶氧的分压,但同样增加溶解二氧化碳分压,增加了二氧化碳浓度,对某些发酵品种又可能抑制其生长,而且罐体的高度,同厂房高度密切相关。因而发酵罐的 H/ D 之比,既有工艺的要求,也应考虑经济和工程问题必须综合考虑后予以确定。对于细菌发酵罐来说,在筒体高度 H/ 罐直径 D 宜为 2215,对于放线菌的- 6 -发酵罐的 H/ D 一般为 11821
10、2。4.2.24.2.2 通气和搅拌通气和搅拌好氧发酵是一个复杂的气、液、固三相传质和传热过程,良好的供氧条件和培养基的混和是保证发酵过程传热和传质必要条件。好氧发酵需要通入充沛的空气,以满足微生物需氧要求,因而空气量通入量越大,微生物获得氧有可能越多;其次培养液层高度越大,空气在培养基停留时间就有可能增加,有益于微生物利用空气中的氧;但是空气中氧是通过培养基传递给微生物,传递速率很大程度上取决气液相的传质面积,也就是说取决气泡的大小和气泡的停留时间,气泡越小和越分散就使微生物可以越充沛获得氧气,但是强化气泡的粉碎单靠气体分布器的形式和结构是不够的,或者说效果是不明显的,只有通过发酵罐内的叶轮
11、转动将气泡粉碎,才可获得最佳的发酵供氧条件。通过搅拌器的搅拌作用,使培养基在发酵罐内得到充分宏观混和,尽可能使微生物在罐内每一处均能得到充足氧气和培养基中的营养物质,此外良好的搅拌有利于微生物发酵过程产生的热量传递给冷却管和发酵罐的冷却内表面。这就是具有通气和搅拌的标准式发酵罐普遍使用在生化工程的原因。4.2.34.2.3 搅拌叶轮搅拌叶轮发酵罐内安装搅拌器首先用来分散气泡以得到尽可能高的传质系数 KLa。此外还要使被搅拌的发酵液循环来增加气泡的平均停留时间,并在整个系统中均匀分布,阻止其聚并。近来发酵罐的搅拌系统多采用在罐底部安装一个用来分散空气的涡轮搅拌器,其上再安装一组轴流式搅拌器,用来
12、循环培养介质、均匀分布气泡、加强热量传递和消除罐内上、下部之间含氧量梯度差。4.34.3 传热传热发酵过程中微生物的生化反应要产生大量热量,这些热量必须及时被带出罐体,否则培养基温度升高,就会影响发酵最佳条件,引起微生物发酵中断。4.44.4 变速搅拌变速搅拌由于发酵过程中,微生物的培养要求是不同的,往往在发酵中期,微生物处于旺盛生长时间对氧的需要量较高,而在发酵初期和发酵后期微生物的需氧量较低,特- 7 -别是发酵后期,菌丝体已处于老化阶段,培养基的粘度也较高,剧烈的搅拌会加速菌丝体的自溶,影响发酵水平的提高。如果能设计一个变速搅拌,按照微生物需氧量来调节搅拌转速,这样不但能创造最佳的培养条
13、件,也能节约发酵过程的能量消耗,因而不少生物工程设备人员试图在大型发酵罐上采用变速搅拌。4.54.5 发酵罐的能量消耗发酵罐的能量消耗发酵罐的能量消耗主要由如下三部分组成:搅拌器电机耗能、通入无菌空气的制备能量及培养基消毒和冷却能量。培养基消毒和冷却能量主要取决于工艺过程和菌种特性,而搅拌功率和无菌空气消耗能量两者的目的相同,主要是为了供应微生物足够的氧气。5 5、测量仪表和控制、测量仪表和控制发酵过程的自动化依赖于对发酵过程中工艺参数的检测,测量的物理参数为温度、压力、流量、泡沫(液位) 、搅拌转速、功率、浊度、粘度。化学参数为pH、氧化还原电位、溶解 O2、溶解 CO2、排气成分、糖、氮、磷及效价分析。目前使用得比较普遍的是罐温、罐压、pH、补糖、补水和加油消沫的测量及自动控制;空气流量、发酵液体积、溶氧、电机电流和功率进行检测。由于生化工程的要求,这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能对发酵液产生污染。在生物合成中必须对生长环境中各个控制变量进行综合、进行过程的监控和得到新的状态变量,如呼吸商、碳平衡等,利用计算机的在线控制和离线控制,获得最佳的控制效果。控制系统采用集散型微机,它
