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1、发酵工程课程设计设计说明书45M3机械搅拌通风发酵罐的设计起止日期： 2013 年12月30日至 2014年1月5日学生姓名金辉班级生物技术111班学号成绩指导教师（签字）包装与材料工程学院第一章前言4第二章设计方案5第三章 谷氨酸的发酵工艺 73.1谷氨酸的发酵工艺流程图：73.2谷氨酸的生产原料及处理73.3谷氨酸发酵工艺技术参数83.4谷氨酸发酵环境控制8第四章发酵罐设计及谷氨酸发酵基本参数104.1发酵罐的型式104.2发酵罐的用途10第五章发酵罐造型及工艺计算115.1发酵罐容积的确定115.2发酵罐主要尺寸的计算115.3罐体145.3.1罐体的厚度145.3.2封头壁厚的计算14
2、5.3.3人孔和视镜的设计155.4传热量的计算及冷却面积的确定155.5接管的设计175.5.1接管的长度h设计175.5.2接管直径的确定175.5.3管道接口的选择175.6装液量的计算185.7通风量的计算185.8搅拌器的设计185.9搅拌器功率的计算195.9.1不通气时的搅拌功率P0195.9.2通气搅拌功率的计算Pg205.9.3电动机的功率P电205.10竖直蛇管冷却装置计算215.10.1求最高热负荷下的耗水量W215.10.2冷却管的设计215.10.3校核布置后冷却管的实际传热面积225.11设备结构的工艺设计22第六章设计结果及讨论23第七章心得体会26参考文献27发
3、酵罐，指工业上用来进行微生物发酵的装置。其主体一般为用不锈钢板制 成的主式圆筒，其容积在1m3至数百m3。在设计和加工中应注意结构严密，合 理。能耐受蒸汽灭菌、有一定操作弹性、内部附件尽量减少（避免死角）、物料 与能量传递性能强，并可进行一定调节以便于清洗、减少污染，适合于多种产品 的生产以及减少能量消耗。用于厌气发酵（如生产酒精、溶剂）的发酵罐结构可以较简单。用于好气发酵 （如生产抗生素、氨基酸、有机酸、维生素等）的发酵罐因需向罐中连续通入大量 无菌空气，并为考虑通入空气的利用率，故在发酵罐结构上较为复杂，常用的有 机械搅拌式发酵罐、鼓泡式发酵罐和气升式发酵罐。乳制品、酒类发酵过程是一个无菌
4、、无污染的过程，发酵罐采用了无菌系统， 避免和防止了空气中微生物的污染，大大延长了产品的保质期和产品的纯正，罐 体上特别设计安装了无菌呼吸气孔或无菌正压发酵系统。罐体上设有米洛板或迷 宫式夹套，可通入加热或冷却介质来进行循环加热或冷却。发酵罐的容量由 300-15000L多种不同规格。发酵罐按使用范围可分为实验室小型发酵罐、中试 生产发酵罐、大型发酵罐等。发酵罐广泛应用于乳制品、饮料、生物工程、制药、精细化工等行业，罐体 设有夹层、保温层、可加热、冷却、保温。罐体与上下填充头（或雏形）均采用 旋压R角加工，罐内壁经镜面抛光处理，无卫生死角，而全封闭设计确保物料 始终处一无污染的状态下混合、发酵
5、，设备配备空气呼吸孔，CIP清洗喷头，人 孔等装置。发酵罐的分类:按照发酵罐的设备，分为机械搅拌通风的和非机械搅拌 通风发酵罐；按照微生物的生长代谢需要，分为好气型发酵罐和厌气型发酵灌。发酵罐是一种对物料进行机械搅拌与发酵的设备。该设备采用内循环方式，用搅 拌桨分散和打碎气泡，它溶氧速率高，混合效果好。罐体采用SUS304或316L进 口不锈钢，罐内配有自动喷淋清洗机头，确保生产过程符合GMP要求。第二章设计方案我设计的是一台45M3的机械通风搅拌发酵罐，发酵生产谷氨酸。L-谷氨酸是生物机体内按代谢的基本氨基酸之一，也是连接糖代谢与氨基酸 代谢的枢纽之一，在代谢上具有比较重要的意义。L-谷氨酸
6、单钠盐，俗称味精， 具有强烈的鲜味，是一种十分重要的调味品，广泛应用于烹调和食品加工。前国内各谷氨酸厂所使用谷氨酸产生菌主要有天津短杆菌 (Brevibacteriaceae Tianjianense)T6-13 及其诱变株 FM8209、FM-415、 CMTC6282、TG863、TG866、S9114、D85 等菌株；钝齿棒杆菌(Corynebacterrum crenatum)ASl 542及其诱变株B9、B9-36、F-263等菌株；北京棒杆菌 (Corynebacterium Pekinense)ASl299 及其诱变株 7338、Dll0、WTH-1 等菌株。 现在多数厂家生产上
7、常用的菌株是T6-13、FM-415、S9114、CMTC6282等。综合温度、PH等因素选择菌株，该菌种最适发酵温度为32-37, pH为7.0-7.5。主要生产工艺过程为如下：原料液的处理与培养基配制；种子制备与扩大培 养；发酵；谷氨酸提取与精制。其具体过程如图1:味精生产总工艺流程图发酵罐主要有罐体，搅拌器，挡板，消泡器，联轴器及轴承，变速装置，空 气分布装置，轴封，换热装置等，但此次采用是用于工业发酵的大型发酵罐，为 此会去掉挡板，而且会有冷却用的蛇形管。对于工业生产用的发酵罐体积，我们 要进行合理准确的计算；同时对于发酵罐的制作材料也要注意；要控制发酵罐的 温度要特别注意，应为了使谷
8、氨酸产生菌的速度最大，我们要保持合适的温度， 使发酵罐的温度不至于过高而影响发酵液的温度，为此我们对于蛇形冷却管的冷 却面积需要进行合理计算等。此次的发酵罐的设计不仅包括发酵管的参数等，而且还有发酵条件的控制， 以及发酵罐罐体的设计，运用电脑制图，结合了机械工程制图和电脑CAD制图， 电脑设计图位于附录。表2.1发酵罐主要设计条件项目及代号参数及结果备注发酵菌种TG866根据参考文献6 选取工作压力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）32C根据任务书选取设计温度120C由工艺条件确定冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定培养基玉米浆、糖蜜等由参考文献6 确定发酵
9、液密度1080kg/m3由工艺条件确定发酵液黏度2.0X10-N.s/m2由工艺条件确定为了使微生物发挥最大的生产效率，发酵罐必须满足几个要求：（1）发酵罐应有适宜的径高比。罐身较长，氧的利用率较高。（2）发酵罐应能承受一定的压力，因为发酵罐在灭菌和正常工作时要承受 一定的压力（气压和液压）和温度。（3）发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，实现传质传热作用，保证 微生物发酵过程中所需要的溶解氧。（4）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏污纳垢，保证灭菌彻底，防止染菌。（5）发酵罐应具有足够的冷却面积。（6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露。第三章谷氨酸的发酵工艺3.1谷氨酸的发酵工艺流程图:消泡剂一
10、水一”无机盐一-配料擢-定容搪糖蜜一；玉米浆一二缀种子罐纯生物素一!实消斜面一一级种子、*降温谶氮-二级种培养t无菌空P淀粉一葡萄糠一消沌剂F定容槽-配料搪r无机盐一糖蜜连消器一玉米桨一纯生物素维持罐换热器J一消泡剂，度酹罐-一高浓度精液A_酒氧图3-1谷氨酸发酵工艺流程图3.2谷氨酸的生产原料及处理绝大多数的谷氨酸生产菌都不能直接利用淀粉，因此，以淀粉为原料进行谷 氨酸生产时，必须将淀粉质原料水解成葡萄糖后才能供使用。可用来制成淀粉水 解糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等，我国主要以甘薯淀粉或大 米制备水解糖。淀粉水解的方法有三种，简单选取两种进行介绍：1、酸水解法的工艺流程水和盐
11、酸+淀粉一蒸汽+调浆一糖化一冷却一中和、脱色一过滤一糖液(1) 调浆：原料淀粉加水调成1011 Be的淀粉乳，用盐酸调pHl.5左右， 盐酸用量(以纯盐酸计)约为干淀粉的0.5%0.8%。(2) 糖化：粉浆密度 1.0741.09 g.ml-、pH1.5、蒸汽压力 0.250.28 MPa、 糖化时间1525 min。在以上条件下进行即可将淀粉转化为还原糖。(3) 中和脱色：淀粉水解完毕，酸解液pH仅为1.5左右，需用碱中和后才能 用于发酵。中和的终点pH 一般控制在4.55. 0左右，以便使蛋白质等胶 体物质沉淀析出。酸解液中尚存在着一些色素和杂质需通过脱色除去。脱 色可采用活性炭吸附，活性
12、炭是经过特殊处理的木炭，为黑色无定形粉末， 不溶于任何溶剂，质松多孔，表面积很大，具有很大的吸附能力。它将具 有脱色与助滤两方面作用。（4）过滤：经脱色后的糖液，温度仍在60C以上，应及时用压缩空气或泵送 到板框压滤机或叶滤机过滤，活性炭可兼做助滤剂使用。过滤温度一般在 6070C之间。2、酶水解法先用a-淀粉酶将淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶将糊 精和低聚 糖进一步水解成葡萄糖的方法，称为酶解法。谷氨酸菌能够在菌体外大量积累谷氨酸，是由于菌体的代谢调节处于异常状 态，只有具有特异性生理特征的菌体才能大量积累谷氨酸。这样的菌体对环境条 件是敏感的。也就是说，谷氨酸发酵是建立在容易变动的
13、代谢平衡上的，是受多 种发酵条件支配的。因此，控制最适的环境条件是提高发酵产率的重要条件。在 谷氨酸发酵中，应根据菌种特性，控制好生物素、磷、NH4+、pH、氧传递率、排 气中二氧化碳和氧含量、氧化还原电位以及温度等，从而控制好菌体增殖与产物 形成、能量代谢与产物合成、副产物与主产物的合成关系，使产物最大限度地利 用糖合成主产物。3.3谷氨酸发酵工艺技术参数表3.1主要工艺技术参数生产工序参数名祢指标淀粉后原料糖蜜原料1制糖（双酶法）淀粉糠化转化率5=982发酎产酸率g/dl=8.05=8.03糖酸转化率5=505=554谷氨酸提收提取收率海6=803.4谷氨酸发酵环境控制（1）温度：谷氨酸发
14、酵前期应采取菌体生长最适温度为3032C。对数生 长期维持温度30-32C。谷氨酸合成的最适温度为3437C。催化谷氨酸合成的 谷氨酸脱氢酶的最适温度在32-36 C左右，在发酵中、后期需要维持最适的产 酸温度，以利谷氨酸合成。(2) 溶解氧：一般控制为，长菌期低风量，产酸期高风量，发酵成熟期又转 为低风量。菌体生长期通风量可比谷氨酸形成期低0.050.08 m3/m3.min,且要 视OD值的增长情况灵活控制风量。(3) pH：谷氨酸生产菌的最适pH 一般是中型或微碱性pH7.08.0条件下累 计谷氨酸，发酵前期的pH值以7.5左右为宜，中后期以7.2左右对提高谷氨酸 产量有利。(4) 通风
15、量：谷氨酸生产菌是兼性好氧菌，有氧、无氧的条件下都能生长， 只是代谢产物不同。谷氨酸发酵过程中，通风必须适度，过大菌体生长慢，过小 产物由谷氨酸变为乳酸。应在长菌期间低风量，产酸期间高风量，发酵成熟期低 风量。其中，谷氨酸发酵罐现均采用气一液分散较理想的圆盘涡轮式多层叶轮搅 拌器。(5) 泡沫：谷氨酸发酵时好气性发酵，因通风和搅拌和菌体代谢产生的CO2, 使培养液产生泡沫是正常的，但泡沫过多不仅使氧在发酵液中的扩散受阻，影响 菌体的呼吸代谢，也会影响正常代谢以及染菌。因此，要控制好泡沫是关键。消 泡方法有机械消泡(靶式、离心式、刮板式、蝶式消泡器)和化学消泡(天然油 脂、聚酯类、醇类、硅酮等化学消泡剂)两种方法。(6) 染菌的防治和染菌后
