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1、强制酬就式1刖言生物反应工程与设备课程设计是生 物工程专业一个重要地、综合性地实践 教学环节，要求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，对培养我们全面地 理论知识与工程素养，健全合理地知识 结构具有重要作用发酵罐是发酵设备 中最重要、应用最广地设备，是发酵工业 地心脏,是连接原料和产物地桥梁随着 工业技术地发展，市面上出现了种类繁 多、功能更加完备地新型发酵罐.如何选 择或者设计一种合适地发酵罐将会成为 一个研究热点.本文旨在通过相应地参 数计算和设备计算完成年产20吨庆大霉 素地机械通风发酵罐初步设计.2常见地发酵罐2.1机械搅拌通风发酵罐机械搅拌发酵罐
2、是利用机械搅拌器 地作用,使空气和发酵液充分混合，促使 氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物 生长繁殖、发酵所需地氧气，又称通用式 发酵罐.可用于啤酒发酵、白酒发酵、柠 檬酸发酵、生物发酵等.图1机械通风发酵罐 地气液混合物密度降低故向上运动， 而含气率小地发酵液下沉，形成循环 流动,实现混合与溶氧传质.其结构简 单、不易染菌、溶氧效率咼和耗能低 主要类型有气升环流式、鼓泡式、空 气喷射式等.图2气升式发酵罐原理图2.3自吸式发酵罐自吸式发酵罐是一种不需要空气 压缩机,而在搅拌过程中自吸入空气 地发酵罐.叶轮旋转时叶片不断排开 周围地液体使其背侧形成真空，由导 气管吸入罐外空气.吸入地空气与发
3、酵液充分混合后在叶轮末端排出，并 立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折 流涌向液面，均匀分布.与机械发酵罐相比，有一个特殊 地搅拌器，但没有通气管.罐为负压, 易染菌，当转速较大时，会打碎丝状 菌.发酵簾的结构示壷图2.2气升式发酵罐气升式发酵罐把无菌空气通过喷嘴 喷射进发酵液中，通过气液混合物地湍 流作用而使空气泡打碎，同时由于形成图3自吸式发酵罐3已知工艺条件(1) 年产量：G=20 t (庆大霉素)(2) 年工作日：M=300天(3) 发酵周期：t=6天(4) 发酵平均单位：卩床1400单位/毫 升(5) 成品效价：卩p=580单位/毫克(6) 提炼总效率：n p=87%(7) 每年按300
4、天计算,每天24小时连 续运行.(8) 装料系数：=75%4工艺计算4.5机械通风发酵罐地高度和直径D1.2时，一般使用 HD=1.75 2D -1.2时,H D =2 3确定发酵罐地高度和直径：设发酵罐地圆筒体积为V筒,封底体积为V底V0=VW +V 底4.1由年产量决定每天放罐发酵液体积兀 22兀V0= D2H D424取 H=1.95DVd1000 G_p MAH m p即空 1.95D3 4d3424=50 mD=3.1m1000 20 580300 1400 87%= 31.75 m3. dH=6.0m其中,D为发酵罐公称直径,H是发酵罐圆筒 高.4.6机械发酵罐壁厚地计算4.2发酵
5、罐公称容积V0和台数地确定计算法确定发酵罐地壁厚S1h =*=42.4n1 0.75PD2【匚】-PC (cm)按照国内发酵罐系列取50m3nd :每天放罐系数,取nd=1罐；发酵罐装料系数,=75% 发酵罐总台数n=nd发酵周期式中，P设计压力，取最高工作压力地1.05倍,P=0.4MpaD发酵罐内径，D=310cm【】一A3钢地许用应力，【】=127Mpa 焊缝系数,取 =0.7c壁厚附加量C1 C2 C3n=16=6(台)发酵周期=每罐批发酵时间+辅助时间 辅助时间=进料时间+灭菌操作时间+移C1 钢板负偏差,取C1二0.8mm种时间+放罐压料时间+ 清洗检修时间4.3发酵罐实际产量50
6、20=23.58 吨.年42.4C2 为腐蚀欲量，取C2 =2mmC3 加工减薄量，取C3 =0,代入上式得2358 1000 =78.6千克年，台C=G C2 C3 =08 2 0 = 0.28mm3004.4每吨产品需要地发酵液量50 0.753477.10m /tS10.4汉3102 1270.7 - 0.40.28 二 0.98cm0.0786S2 =PD2【二】：-PC（ cm）0.4X3102 127 0.7 -0.40.38 = 1.07 cm462封头壁厚计算hb-椭圆封头地直边高度 m,取hb=0.05mha -椭圆圭寸头短半轴长宀 1 度,ha= D =0.774标准椭圆封
7、头地厚度计算公式如下:式中，P=0.4Mpa,D=310cm,【c】=127MpaG =0.08cm, C2 =0.2cm, C3=0.1cmC 二 G C2 C3 二 0.38cm,=0.7代入上式,得:查钢材手册圆整为S2 =12mm.4.7发酵罐搅拌装置计算和轴功率计算搅拌装置发酵罐地搅拌器一般都采用圆盘地 涡轮搅拌器，搅拌叶地形式有平叶、弯 叶、箭叶三种，其外形见下图：功率消埠：平片弯吁箭叶童韩液中含卑:平叶A弯叶 筒叶轴向混合败果：筋叶弯叶叶I图4三种常用涡轮搅拌器 搅拌叶形式地选择是发酵罐设计中 地一个关键.本次设计，由于庆大霉素发 酵过程有中间补料操作，对混合要求较 高,因此选用
8、六弯叶涡轮搅拌器. 该搅拌器地各部分尺寸与罐径 D有一 定比例关系，现将主要尺寸列出：搅拌器叶径 dj=D/3=3.1/3=1.03m取 di =1.m挡板宽 B=0.1 d i =0.1 x 1= 0.1m底距 C=d i =1.0m搅拌叶间距 S=D=3.1m 弯叶板厚 S =12mm搅拌轴功率地计算4.7.2.1 不通风情况地搅拌轴功率不通风情况地搅拌轴功率随着液 体地性质、搅拌器地形式、罐地结构 尺寸地不同而不同.经过大量实验可 得功率准数（Np）和搅拌雷诺指数（凡）之间地函数关系：Np=f（Re）= p 5 Pn DiP=Np t n3D5其中：p：搅拌功率（公斤米秒）（1千瓦=10
9、2公斤米秒）n :搅拌器转速（转秒）Di :搅拌器直径（米）:液体密度（公斤/ m3）由化工原理可知：Re104湍流Re岂10滞流1R1010过渡流六弯叶涡轮浆 Np=4.7图5 Np Re曲线上式公式只适用于湍流和滞留H0.!I EirrsiFi* j*)*10*ataFF号iffsns 式比驱寸HiImSW/bi33iX2踢黄紫尊紀=a2 Z2-4i4G IP33jX1 42*4i4心】5D/b-sJ3i&平2-72-40.71 X17平时鬻轮式2-7NTo 7-i.e40J82-72-40.7-Lb40,1A2*?2-4O,7-L6J(U六箭叶涡轮浆 Np=3.7工作状态时，通常发酵罐内
10、发酵液都需要处于湍流状态,因此使用Np - Re曲线图,线图计算无通气时地搅拌率 比较方便,算出Re,并查地N p值，则搅 拌功率即可由下式计算（生物工厂设计）35p = Np T N Di上式是根据 H.D =3,D. Dj = 3W. D =0.1, B Di =1若不符合上述条件，可用下面公式校正：（D D）（H D）头：3 3功率计算：已知n=170转/分（工厂提供数据）Dj =1.03米,一般Dj/D =12-13，本设计取 1 3，二 r. g =1050. 9.81 =107公斤 秒2 /米4（r -1.05吨米3 ,工厂测定数据）过渡流时Np不是一个常数,必须从N p二Re曲线
11、查询.当Re M04,属于湍流区.此时地流 体（见图5）称为牛顿型流体,由上图实 验得出地曲线来看,该区Np不随Re地增 加而增加，基本上趋于水平线，也就是说 N p为一常数.六平叶涡轮浆N p =6.0Np=4.7由公式17035P =4.7 107 厂 1.03603=13260.52kgm / s= 110.5kW校正得:(3.11.03)(6 1.03) “10.5= 154.3kW根据一般搅拌器之间地距离S=1.5-2.5 Di搅拌器个数=发酵罐筒体高度搅拌器间距发酵热效应:1.2比热（冷却水出口温度 -冷却水入口温度）= 6=2 1.03=2.9 个 取3个一般,三个搅拌器为单个搅
12、拌器地2倍:P实=154.3 2 =308.6kW通风条件下地搅拌功率 由风速估计通风情况下地搅拌功率将下降，当风速 大于30米/小时,通风功率仅为不通风地40-50%则 P =308.6 45% =138.9kW . 由经验公式估计密氏公式（生物工厂设计）Pg =K（PQ）0.45 其中 K=0.156冷却水量地计算发酵过程,冷却水系统按季节气温地 不同,采用冷却水系统也不同，为了保 证发酵液生产，夏季必须使用冰水.冬季：气温17Co时采用循环水进口17Co,出口 20Co.夏季：气温 T7C时采用循环水进口10Co,出口 20Co.冬季冷却水循环水用量计算:Q冷C(t2 1 )470400
13、1.2 4.18(20-17)= 45t/h0.156(308.62 170 1.033(50 0.75 1.2)0.560.45夏季冷却水用量计算:=109.1kW设机械传动效率为0.8109 2则 Pg 二1092 =136.4kW0.8从上面可以看出,基本功率约为137kW.4.8发酵罐冷却水量和冷却面积计算发酵热效应Q冷C(t2 - 1)发酵热效应X1.2比热（冷却水出口温度 -冷却水入口温度）4704001.2 4.18(20-10)-13.5t/h取14吨/时.冷却器面积计算其中Q热：发酵热效应KJ/hQktQp :发酵热3500kCal/ m3h =14700KJ/m3hQ:发酵热效应470400kJ / hK :传热系数 200-450kCal/m2hoC取 K=300kCal / m2hoCV :发酵液体积32 m3Q热=14700 32 =470400kJ/h各种发酵液发酵热见下表：v(34 -17)
