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1、摘要本次设计的是一台70机械搅拌发酵罐，发酵生产谷氨酸。发酵罐主要由罐体和冷却装置、搅拌装置、传动装置、轴封装置、人孔和其它的一些附件组成。罐体材料为A3钢，厚度为9mm。采用标准椭圆形封头，壁厚为9mm，与发酵罐采用法兰方式连接。发酵罐的高8320mm，直径为3200mm，罐内采用二层六弯叶涡轮式搅拌器。搅拌轴直径为1100mm，由80KW电动机驱动，轴封与罐体密封。冷却装置为的冷却蛇管1506m，分6组安装在罐内。最后绘制了该发酵罐的装配图。关键词：机械搅拌发酵罐 封头 搅拌器 谷氨酸目 录1 设计方案的拟定12 罐体几何尺寸的确定42.1夹套反应釜的总体结构42.2 几何尺寸的确定43
2、罐体主要部件尺寸的设计计算73.1 罐体73.2 罐体壁厚73.3 封头壁厚计算73.4 搅拌器73.5人孔和视镜83.6接口管83.6.1 管道接口83.6.2 仪表接口94 冷却装置设计104.1 冷却方式104.2 装液量104.3 冷却水耗量104.4 冷却面积115 搅拌器轴功率的计算135.1不通气条件下的轴功率P0计算135.2通气搅拌功率Pg的计算145.3电机及变速装置选用146 设计小结167 参考文献181 设计方案的拟定我设计的是一台70M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产谷氨酸。经查阅资料得知生产谷氨酸的菌种有T6-13、TG-961、FM-415、S9114、CMT-C
3、6282，综合发酵温度、pH值等因素选择T6-13菌种，该菌种最适发酵温度为33，pH为7.0，培养基为液体培养基。谷氨酸发酵的主要原料有淀粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、乙醇、正烷烃(液体石蜡)等。国内多数谷氨酸生产厂家是以淀粉为原料生产谷氨酸的，少数厂家是以糖蜜为原料进行谷氨酸生产的，这些原料在使用前一般需进行预处理。(一)糖蜜的预处理谷氨酸生产糖蜜预处理的目的是为了降低生物素的含量。因为糖蜜中特别是甘蔗糖蜜中含有过量的生物素，会影响谷氨酸积累。故在以糖蜜为原料进行谷氨酸发酵时，常常采用一定的措施来降低生物素的含量，常用的方法有以下几种。(1)活性炭处理法 用活性炭可以吸附掉生物素。但此法活
4、性炭用量大，多达糖蜜的30%40%，成本高。在活性炭吸附前先加次氯酸钠或通氯气处理糖蜜，可减少活性炭的用量。(2)水解活性炭处理法 国内曾有人进行过用盐酸水解甘蔗糖蜜，再用活性炭处理的方法去除生物素的实验，并应用于生产。(3)树脂处理法 甜菜糖蜜可用非离子化脱色树脂除去生物素，这样可以大大提高谷氨酸对糖的转化率。处理时先用水和盐酸稀释糖蜜，使其浓度达到10，pH达2.5，然后在120下加压灭菌20min，再用氢氧化钠调pH至4.0，通过脱色树脂交换柱后，将所得溶液调pH至7.0，用以配制培养基。(二)淀粉的糖化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
5、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：1酸解法 用酸解法生产水解糖，其工艺流程如下：原料(淀粉、水、盐酸)调浆糖化冷却中和脱色过滤除杂糖液(1)调浆 原料淀粉加水调成1011Be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0.50.8。(2)糖化 首先要在水解锅内加部分水，加水后将水解锅预热至100105,(蒸汽压力为0102MPa)随后用泵将淀粉乳送至水解锅内迅速升温，在表压为0.250.4MPa之间保压，一般水解时间控制在1020min，即可将淀粉
6、转化成还原糖。(3)冷却 中和温度过高易形成焦糖，脱色效果差；温度低，糖液黏度大，过滤困难。因此，生产上一般将糖化液冷却到80以下。(4)中和 淀粉水解完毕，酸解液pH仅为15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。(5)脱色 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。(6)过滤除杂 经中和脱色的糖化液要充分沉淀12h，待液温降到4550，用泵打人过滤器除杂质，过滤后的糖
7、液送贮糖桶贮存，到此为止，淀粉糖化过程全部结束，制成的糖化液供发酵使用。2酶解法 先用-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
8、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。为了实现发酵过程工艺条件最佳化，可采用电子计算机进行资料收集、数据解析、程序控制。收集准确的数据，如搅拌转速液量、冷却水人口温度和流量、通风量、发酵温度、pH、溶解氧、氧化还原电位等，还可准确地取样。控制操作者要求进行检测和及时处理比增殖速度、比产物形成速度、比营养吸收速度、氧的消耗速度等数据，使操作条件最佳化。发酵罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌装置，传动装置,轴封装置，人孔和其它的一些附件组成。这次设计就是要对70M3通风发酵罐的几何尺寸进行计算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外
9、形、罐体和封头的壁厚；根据发酵微生物产生的发酵热、发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷却装置的设计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一些附件的确定,完成整个装备图，完成这次设计。 这次设计包括一套图样，主要是装配图，还有一份说明书。而绘制装配图是生物工程设备的机械设计核心内容，绘制装配图要有合理的选择基本視图，和各种表达方式，有合理的选择比例，大小，和合理的安排幅面。说明书就是要写清楚设计的思路和步骤表1发酵罐主要设计条件步骤项目及代号参数及结果备注1发酵菌种黄色短杆菌T6-13菌株由参考文献1选取2工作压力0.4MPa由工艺条件确定3设计压力0.4MPa由工艺条件
10、确定4发酵温度33由参考文献1选取5设计温度150由工艺条件确定6冷却方式蛇管冷却由工艺条件确定7培养基水解糖、甘蔗糖蜜、玉米浆、磷酸氢钠、硫酸镁等由参考文献1选取8发酵液密度1080Kgm由工艺条件确定9发酵液黏度2.0N.s/m2由工艺条件确定2 罐体几何尺寸的确定2.1夹套反应釜的总体结构 夹套反应釜主要由搅拌容器，搅拌装置，传动装置，轴封装置，支座，人孔，工艺接管和一些附件组成。搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺设计而定；传动装置是为为带动搅拌装置设置的，主要由电机，减速器，联轴器和传动轴等组成；轴封装
11、置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座，人孔，工艺接管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。2.2 几何尺寸的确定 根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=2.6，则H=2.6D初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（70M3） 公称体积V罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和全体积V0公称体积和上封头体积之和封头体积 （近似公式）假设/D=2.6，根据设计条件发酵罐的公称体积为70M3由公称体积的近似公式可以计算 罐体直径圆整后D=3200mm 罐体总高度 =2.6D=32002.6=8320mm，搅拌器叶径Di为： 叶宽B为： 底距C为： 叶间距S为：S=椭圆封头短半
12、轴长度则表2-1大中型发酵罐技术参数公称容量 筒体高度H(mm) 筒体直径mm 换热面积转速r/min 电机功率kw 10 3200 1800 12 150 7.5 21 4700 2200 21 154 30 30 6600 2400 34 180 45 50 7000 2800-3000 38-60 160 55 60 8000 3000-3200 65 160 65 75 8000 3200 84 165 100 100 9400 3600 114 170 130 200 11500 4600 221 142 215 表2-2 20m3发酵罐的几何尺寸步骤项目及代号参数及计算结果备注1公
13、称体积（）70设计条件2全体积（）75计算3D（mm）3200计算4（mm）6400计算5S（mm）3200计算6C（mm）1100计算7（mm）800计算8（mm）200计算9H（mm）8320计算3 罐体主要部件尺寸的设计计算3.1 罐体 考虑压力，温度，腐蚀等因素，发酵罐材料可以选用碳钢、不锈钢、合金钢等。相对其他工业来说，发酵液对钢材的腐蚀不大，但必须能耐受一定的压力和温度，通常要求耐受130150 的温度和0.4MPa的压力。例如：腐蚀性不大的发酵液，如酶制剂发酵可以选用16MnR钢；谷氨酸为弱酸，使用A3钢对罐体会有腐蚀，使用不锈钢成本较高。考虑使用A3钢为材料，内涂环氧树脂防腐。即可达到要求，又降低成本。采用双面焊接。3.2 罐体壁厚 ，取9mm D罐体直径（mm） p耐受压强 (设计压力，MPa)取0.4 MPa 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0 罐体金属材料在设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为 150，137MPa） C 腐蚀裕度，当 C10mm时，C3mm3.3 封头壁厚计算 ，取9mm。 D罐体直径（mm） p耐受压强 (取0.4MPa) K开孔系数，取1 焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0 设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150，137MPa)
