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1、生物工程设备课程设计发酵罐生物工程设备课程设计200m3谷氨酸发酵罐设计院系：生物与化学工程学院专业：生物工程班级：学号：姓名：指导老师：日期：2012年5月11日生物反应工程与设备课程设计任务书机械搅拌生物反应器设计一、课程教学目标生物反应工程与设备课程设计是生物工程专业一个重要的、综合性的实践教学环节，要求学生综合运用所学知识如生化反应工程与生物工程设备课程来解决生化工程实际问题，对培养学生全面的理论知识与工程素养，健全合理的知识结构具有重要作用。在本课程设计中，通过生化过程中应用最为广泛的设备，如机械搅拌发酵罐、气升式发酵罐、动植物细胞培养反应器，蒸发结晶设备、蒸馏设备等的设计实践，对学
2、生进行一次生化过程发酵设备设计的基本训练，使学生初步掌握发酵设备设计的基本步骤和主要方法，树立正确的设计思想和实事求是，严肃负责的工作作风，为今后从事实际设计工作打下基础。二、课程设计题目设计200m3谷氨酸机械搅拌通风反应器三、课程设计内容1、设备所担负的工艺操作任务和工作性质，工作参数的确定。2、容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定。3、动力消耗、设备结构的工艺设计。四、课程设计的要求 课程设计的规模不同，其具体的设计项目也有所差别，但其基本内容是大体相同，主要基本内容及要求如下： 1、工艺设计和计算 根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸
3、计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。主要包括：（1）工艺设计设备结构及主要尺寸的确定（D，H，HL，V，VL，Di等）通风量的计算搅拌功率计算及电机选择传热面积及冷却水用量的计算（2）设备设计壁厚设计（包括筒体、封头和夹套）搅拌器及搅拌轴的设计局部尺寸的确定（包括挡板、人孔及进出口接管等）冷却装置的设计(包括冷却面积、列管规格、总长及布置等) 2、设计说明书的编制 设计说明书应包括设计任务书，目录、前言、设计方案论述，工艺设计和计算，设计结果汇总、符号说明，设计结果的自我总结评价和参考资料等。 3、绘制设备图一张 设备图绘制，应标明设备的主要结构与尺寸。目录第1章 概述1 1.1发酵罐
4、设计前景11.2微生物生物反应器的研究与应用概述1 1.3微生物反应器的研究和应用进展2第2章 设计依据32.1、本次设计内容32.2、 基本参数32.2.1 发酵罐的型式32.2.2 发酵罐的用途32.2.3冷却水及冷却装置42.2.4设计压力 4第3章 通用发酵罐的系列参考尺寸53.1.通用发酵罐的系列尺寸53.2 发酵罐主要设计条件6第4章 谷氨酸生产工艺流程简介7 4.1谷氨酸发酵工艺技术参数74.2谷氨酸生产原料及处理74.3谷氨酸生产工艺流程图10第5章 发酵罐选型及工艺计算115.1 发酵罐的设计与选型115.1.1 发酵罐的选型115.1.2 生产容积的确定115.2主要尺寸的
5、计算115.3 冷却面积的确定125.4 搅拌器设计135.5 、搅拌轴功率的确定152.5.1 计算Rem 155.5.2不通气条件下的轴功率计算165.5.3 通气发酵轴功率计算165.5.4 求电机功率175.6设备结构的工艺设计175.7 竖直蛇管冷却装置设计185.8备材料的选择215.9 发酵罐壁厚的计算215.10 接管设计23第6章 设计结果与讨论256.1发酵罐参数设计汇总 256.2 辅助设备有关参数 266.3 搅拌器有关参数 276.4主要符号说明 27第7章 发酵罐设计心得体会29参考文献30设计图31第1章 概述1.1 发酵罐设计前景生物反应器是多学科交叉的生物技术
6、领域，是21世纪生物工程发展的重要前沿之一。近年来，国内外利用动物、植物和微生物生物反应器生产蛋白药物与其它重要产品的研究取得了令人瞩目的进展，特别是功能基因的高效表达技术与方法研究有了许多新的突破，不少产品已进入研究开发和产业化阶段。生物反应器（bioreactor）是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，其设计、放大是生化反应工程的中心内容。从反应过程上看，生物反应器根据培养对象的不同可分为以下几种。微生物反应器和酶反应器。微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封
7、防漏、防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。酶反应器可分游离酶及固定化酶反应器两大类。细胞生物反应器。动物细胞或植物愈伤组织培养条件苛刻，培养周期长，杂菌污染的危害性大，因此动植物细胞反应器的设计远较微生物反应器复杂。转基因动植物生物反应器。目前，动物生物反应器中研究与应用较多的是乳腺生物反应器，该类反应器基于转基因技术平台，使源基因导入动物基因组中并定位表达于动物乳腺，利用动物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白质的能力，在动物的乳汁中生产一些具有重要价值的产品。植物生物反应器主要是指利用转基因植物来生产蛋白质和次生代谢产物等工程产品。1.2 微生物生物反应器的研究与应用
8、概述微生物反应器和酶反应器发展至今，已经形成了多种类型：在操作方式上，间歇式、连续式和半间歇式均已得到研究和应用 ；在反应器结构特征上，目前已发展了釜 / 罐式、管式、塔式、膜式等类型 ；在能量的输入方式上，目前已发展了通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等 ；在生物催化剂在反应器中的分布方式上，目前已发展了生物团块反应器和生物膜反应器，其中生物团块反应器根据催化剂相态的不同又发展了填充床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器 ；在反应器内的流动和混合状态上，目前生物反应器已发展至全混流型生物反应器和活塞流型生物反应器。微
9、生物反应器的研究和开发需要经历三个阶段 ：实验室阶段 微生物的筛选和培养基的研究，在摇瓶培养或1 3L 反应器中进行 ；中试阶段 5 500L 规模小型反应器，环境因素最佳操作条件研究；工厂化规模生产 实验生产至商业化生产，提供产品并获得经济效益。酶反应器和下述的细胞生物反应器研究也同样需要经历实验室阶段、中试阶段和规模生产阶段。在三个阶段中，尽管生物反应过程相同，但规模的不同使反应溶液的混合状态、传质与传热速率等不尽相同，如何让微生物、酶、细胞充分与外界接触并完成生化过程，达到足够高的反应效率，在工艺上都会有许多新的困难。反应器类型的多样性和工艺的复杂性一方面提高了反应器研究和应用的难度，另
10、一方面也给生物反应器的研究和发展带来了巨大的空间。例如，近年来，膜生物反应器在污水处理中的研究和应用不断发展。1.3 微生物反应器的研究和应用进展膜生物反应器在污染处理中的应用是近年来微生物反应器的研究和应用进展的代表性技术之一。除此之外，结合数学、动力学、化工工程原理、计算机等技术研究微生物反应器和酶反应器中的生化过程，使其过程控制的工艺更为合理，而固液分离技术（离心分离、过滤分离、沉淀分离等工艺）、细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等）、蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等）等下游技术的发展促进了生物反应器设计水平的提高。另一方面，近年来基因工程技术等的发展推
11、动了微生物反应器研究的快速进步。例如，乙酸氧化脱硫单胞菌（Geobacter sulfurreducens）、泥土杆菌科（Geobacteraceae）的电极还原微生物等细菌的发现和改造与质子交换膜（PEM）的技术进步，共同推动了微生物燃料电池（MFC）技术的发展和应用。第2章 设计依据2.1 本次设计内容设计200m3谷氨酸机械搅拌通风反应器2.2 基本参数2.2.1 发酵罐的型式机械搅拌通风发酵罐高径比：H/D=1.7-4.0搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4搅拌器直径：Di=D/3搅拌器间距：S=（0.95-1.05）D最下一组搅拌器与罐底的距离：C=（0.8-1.0）D挡板宽度：B=0.1D，当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板2.2.2 发酵罐的用途用于谷氨酸生产的发酵罐，有关设计参数如下：装料系数：种子罐0.50-0.65 发酵罐0.65-0.8发酵液物性参数：密度1080kg/m3 粘度2.010-3N.s/m2 导热系数0.621W/m. 比热4.174kJ/kg.高峰期发酵热3-3.5104kJ/h.m3溶氧系数：种子罐5-710-6molO2/ml.min.atm 发酵罐6-910-6molO2/ml.min.atm标准空气通风量：种子罐0.4-0.6vvm
