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1、江西科技师范学院生物工程专业化工原理课程设计说明书 题目名称1000L发酵罐发酵生产酸性蛋白酶专业班级 09级生物工程1班 学 号 -学生姓名 _指导教师 _ 2011 年 10 月 31 日目录一、设计方案11.1 设计条件11.2 发酵工艺11.2.1 发酵工艺图11.2.2 菌种的选择21.2.3 菌种培养基的配制21.3 发酵罐尺寸及整体设计21.4 补料系统的设计2二、计算32.1 发酵罐圆筒壁厚的计算32.2 通风量的计算32.3 传热量的计算32.3.1 发酵热32.3.2 冷却水用量42.3.3 冷却器面积计算42.4 搅拌器轴功率计算42.4.1 不通气条件下的轴功率P042
2、.4.2 通气搅拌功率Pg的计算42.5 接口管的计算5三、设备选型63.1 搅拌器的选择63.2 电机及变速装置选用63.3 挡板63.4 管道接口63.5 仪表接口73.6 支座选择73.7 手孔73.8 视镜73.9 轴封类型的选定7四、附录8附录1 计算结果汇总表8附录2 搅拌功率的设计计算结果表8附录3 发酵罐冷却装置设计计算结果9附录4 设备选型汇总表9附录5 查氏培养基9五、总结10六、参考文献及资料11一、设计方案蛋白酶做为一种重要的工业酶制剂，作为一种较早被人们了解的酶类现在正在人类的生活中发挥巨大的作用，特别是酸性蛋白酶以其作用的广泛性高效率越来越多的受到了人们的关注。本设
3、计以容积为1000L规模，针对酸性蛋白酶发酵生产过程中最主要的设备发酵罐进行了模拟设计和选型。本论文进行工艺计算主要设备工作部件（如罐体罐体壁厚封头壁厚计算搅拌器仪表接口人孔和视镜管道接口等）尺寸的设计。1.1 设计条件1000L发酵罐发酵生产酸性蛋白酶。1.2 发酵工艺1.2.1 发酵工艺图黑曲霉斜面培养摇瓶扩大培养种子罐扩大培养豆饼粉、玉米、鱼粉、无机盐发酵空气空气压缩机冷却气液分离过滤除菌pH5.5溶解沉淀粗酸性蛋白酶母液离子交换处理过滤溶解过滤，滤液加入硫酸铵至浓度55%，压滤溶于pH2.5，0.005mol/L乳酸缓冲液，离子交换树脂脱色浓缩干燥、磨粉酸性蛋白酶脱盐pH34040pH
4、自然通氧30预处理30酸性蛋白酶发酵工艺流程图1.2.2 菌种的选择本实验选用黑曲霉作为菌种，发酵生产酸性蛋白酶，该霉菌株在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心的保藏编号为3.350。1.2.3 菌种培养基的配制查氏培养基，见附录5。1.3 发酵罐尺寸及整体设计a公称容积，指罐的圆柱部分和底封头容积之和。b、罐的全容积，指罐的圆柱部分和两封头容积之和。工艺参数和高径比确定各部几何尺寸：设定高径比H/D=2，则H=2D。 设定全体积V，=1000L=1， ha=0.25D。公称体积 V罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和。全体积V罐的筒身（圆柱）体积和上下封头体积之和。圆柱体积VC 上封头
5、体积=下封头体积=VbV0 = VC +2 VbVC = (/4) D2 HVb=，可近似Vb=(/24) D3V0 = (/4) D2 H + 2(/24)D3 =(7/12)D3代入V0 =1 即可求得D0.82m发酵罐实际体积V0 =(7/12)D3=1010Lha为椭圆短半轴长度，hb为椭圆封头的直边高度搅拌器直径Di=D/3=0.27m发酵罐带两组搅拌器，其间距S=3Di=0.82m最下面一组搅拌器与灌底的距离C=Di=0.27m挡板宽B=0.1D=0.082m，ha=0.25D=0.205m罐身高H=2D=1.641.4 补料系统的设计本发酵罐拆采用分批发酵，不需要设计补料系统。1
6、1二、计算2.1 发酵罐圆筒壁厚的计算该发酵罐采用双面对焊GB150-89钢制焊接压力容器，许用应力标准为：at137MPa。计算发酵设备圆筒壁厚的一些参数如下：计算壁厚：=PD/ (230at-P ) + C 式中：计算壁厚mm；P计算压力，本实验压力在7.6103 Pa=760MPa；Di内径，82mm；at设计温下的许用应力；焊封系数(与焊接方法及无损探伤有关)，取0.8；设计壁厚：设壁厚+腐蚀量CC腐蚀量(每年腐蚀的量)，C取3mm=PD/ (230at-P ) + C =(76082)/(2300.8137-760) + 3=5.556mm2.2 通风量的计算前24h前的通风量为=0
7、.250.66=0.165/min通风管口直径为40mm，截面积S=（d/2）2 =3.1410-4m2通风速度V=通风量Q/截面积S=0.165/(3.14410-460)=2.2 (m/s)2448h的通风量为=0.50.66=0.33/minV= Q/S=0.33/(3.14410-460)=4.4 (m/s)4872h的通风量为=1.00.66=0.66/minV= Q/S=0.33/(3.14410-460)=8.8 (m/s)2.3 传热量的计算2.3.1 发酵热发酵罐的传热装置有夹套内蛇管外盘管。一般容积较小的发酵罐采用夹套为传热装置，所以本设计选用夹套为传热装置。通常将发酵过程
8、中产生的净热称为发酵热，其热平衡方程可如下表示：Q发酵=Q生物Q搅拌Q空气Q辐射换热面积：F=Q发酵VKtm发酵热效应Q热= Q pVQ热发酵热效应，kJ/h；Q p发酵热，取17000kJ/m3h；V1发酵液体积，m3；则 Q热= 170000.70.94=1.1104kJ/h。2.3.2 冷却水用量单位时间传热量发酵热装料量由实际情况选用进出口水温为，则：W =Q/Cp(t2-t1)=1.1104/4.2 (26-18)=327.4kg/hQ单位时间传热量Cp冷却水的平均比热，取4.2 kJ/ (kg) t1冷却水进口温度t2冷却水出口温度2.3.3 冷却器面积计算F=Q总/KtmQ发酵热
9、效应，kJ/h夹套的传热系数通常为6301050 kJ/(m2h)，取传热系数K为850 kJ/(m2h)。tm对数平均温差：发酵液温度为30tm=(T-t1)-(T-t2)/In(T-t1)/(T-t2)=8/In（17/9)=7.3F=11000/(8507.3)=1.77m22.4 搅拌器轴功率计算2.4.1 不通气条件下的轴功率P0取发酵醪液黏度=1.2010-3Ns/m2，密度一般取800-1650，所以密度在这里取=1100kg/m3，涡轮式搅拌器转速较高，取搅拌转速=250r/min，则雷诺准数：Re=Di2/=（250/60）0.2721100/1.2010-3=2.78105
10、因为Re，所以发酵系统充分湍流状态，即有效功率系数NP=4.7鲁士顿(Rushton J. H.)公式：P0=Np3LDi5=4.7(250/60)311000.275=0.55(kw)P0无通气搅拌输入的功率（W）；NP功率准数，是搅拌雷诺数Re的函数；圆盘六弯叶涡轮 NP4.7；涡轮转速（r/min）；p液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取8001650 kg/m3；对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：Pm=P(0.4+0.6m)=0.55(0.4+0.62)=0.88kw2.4.2 通气搅拌功率Pg的计算使用黑曲霉3.350发酵生产酸性蛋白酶的时候，前24h前的通风量为0.2
11、5vvm，2448h 0.5vvm，4872h 1.0vvm。装料液=V0.7=0.940.7=0.66。前24h的通风量为=0.250.66=0.165/min2448h的通风量为=0.50.66=0.33/min4872h的通风量为=1.00.66=0.66/min因为是非牛顿流体，所以用以下公式计算：Pg=C(Pm2Di3/Q0.56)0.45C系数， 时，取0.157；多层搅拌输入的功率（kw）；涡轮转速（r/min），取250 r/min；涡轮直径（m），取0.27m；Q通气量（/min）；则：前24h：Pg=C(Pm2Di3/Q0.56)0.45=0.157(0.8822500.2
12、73/0.1650.56)0.45=0.45kw2448h：Pg=C(Pm2Di3/Q0.56)0.45=0.157(0.8822500.273/0.330.56)0.45=0.38kw4872h ：Pg=C(Pm2Di3/Q0.56)0.45=0.157(0.8822500.273/0.660.56)0.45=0.32kw2.5 接口管的计算以进料口为例计算，设发酵醪液流速为v=1m/s，0.5h排尽。发酵罐装料液体积：V1=70%V=0.940.7=0.658m3物料体积流量：Q=V1/0.5h=0.658/(36000.5)=0.0003655m3/s则排料管截面积：F=Q/v=0.00
13、03655/1=0.0003655m2又F=0.785d2，得d=0.022m，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰HG20593-97，取公称直径2cm，其他管道也是如此计算。以进气口为例计算：设气体流速v=5m/s，发酵罐需要0.3/min的气体通气管截面积S=Q/60V=0.001 m2S=（d/2）2 通气管直径d=0.04m。三、设备选型3.1 搅拌器的选择采用平叶圆盘涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，根据d确定h和b的值尺寸，搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大。查阅文献可知1m3发酵罐采用由江苏科技生物工程设备有限公司生产的平叶圆盘涡轮式搅拌器搅拌叶，叶径Di=0.27m，则可以计算出：盘径di=0.65 Di=0.176m叶高h=0.3 Di =0.08m叶长b=0.25 Di=0.068m3.2 电机及变速装置选用根据搅拌功率选用电动机时，应考虑传动装置的机械效率。g搅拌轴功率；轴封摩擦损失功率，一般为1Pg；传动机构效率；根据生产需要选择三角皮带电机，三角皮带的效率是0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的 1%，则电机的功率。前24h：P=(Pg + PT )/=(1+0.01) 0.45/(0.920.990.9
