發(fā)酵罐設(shè)計原則

第二節(jié)：機械攪拌通風發(fā)酵罐設(shè)計,設(shè)計好的發(fā)酵罐，在操作時應(yīng)當是無雜菌的，即保證發(fā)酵過程不被污染。 下面為發(fā)酵罐設(shè)計時的基本原則： (1)盡量減少法蘭連接。因為設(shè)備震動和熱膨脹，會引起法蘭連接處移位，而導致污染。 (2)盡可能采用全部焊接結(jié)構(gòu)。所有焊接點必須切實磨光，消除蓄積耐熱菌的固體物質(zhì)的場所。 (3)防止死角、裂縫，因為固體物質(zhì)可在這些地方蓄積，為污染菌提供避開滅菌的絕熱環(huán)境。,一、設(shè)計基本原則,(4)發(fā)酵系統(tǒng)的某些部分能單獨滅菌。(5)與發(fā)酵罐相通的任何連接都應(yīng)蒸汽密封，如采樣口的閥門在不使用時，其出口處應(yīng)有流動蒸汽通過。(6)所用閥門應(yīng)易于清洗、維修和滅菌。(7)發(fā)酵罐應(yīng)始終保持正壓以排除滲漏。 (8)幾乎所有的發(fā)酵罐都由玻璃或不銹鋼制成。玻璃只限用在小于2030L的發(fā)酵罐。(9)多數(shù)發(fā)酵罐的底部和頂部都是碟形或橢圓形，小于500L的發(fā)酵罐也可用平頂，但必須符合壓力標準的規(guī)定。過去丙酮丁醇發(fā)酵罐容積在400m3以上，40年代抗生素的發(fā)酵罐一般采用4060m3的不銹鋼發(fā)酵罐，目前常采用200m3或更大的發(fā)酵罐。(10)發(fā)酵罐的功率輸入為：實驗室小型罐為810W/L，中間工廠中型罐為35WL，工廠大型罐為13WL,二、機械攪拌發(fā)酵罐的設(shè)計,機械攪拌發(fā)酵罐主要由攪拌裝置、軸封和罐體三部分組成。三個組成部分各起如下的作用:攪拌裝置：由傳動裝置、攪拌軸、攪拌器組成 ,由電動機和皮帶傳動驅(qū)動攪拌軸使攪拌器按照一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ,以實現(xiàn)攪拌的目的。軸封：為攪拌罐和攪拌軸之間的動密封 ,以封住罐內(nèi)的流體不致泄漏。罐體：罐體、加熱裝置及附件。它是盛放反應(yīng)物料和提供傳熱量的部件。,（一）、設(shè)計內(nèi)容和步驟：設(shè)備本體的設(shè)計：罐體的設(shè)計筒體的設(shè)計、計算封頭的設(shè)計、計算罐體壓力試驗時應(yīng)力校核及容積驗算附件的設(shè)計選取接管尺寸的選擇法蘭的選取開孔及開孔補強人孔及其它傳熱部件的計算擋板、中間支承、扶梯的選取,攪拌裝置的設(shè)計：傳動裝置的設(shè)計、攪拌軸的設(shè)計、聯(lián)軸器的選取、軸承的選取及其軸承壽命的核算、密封裝置的選取、攪拌器的設(shè)計、攪拌軸的臨界轉(zhuǎn)速。,設(shè)備的強度及穩(wěn)定性檢驗設(shè)備承受各種載荷的計算設(shè)備重量載荷的計算設(shè)備地震彎矩的計算偏心載荷的計算塔體強度及穩(wěn)定性檢驗裙座的強度計算及校核裙座計算地腳螺栓計算 等裙座與筒體對接焊縫驗算,（二）、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)計算,罐容積的計算 根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和發(fā)酵水平計算每日所需發(fā)酵液的量，再根據(jù)這一數(shù)據(jù)確定發(fā)酵罐的容積。,例如，一年產(chǎn)5萬檸檬酸的發(fā)酵廠，發(fā)酵產(chǎn)酸水平平均為14%，提取總收率90%，年生產(chǎn)日期為300天，發(fā)酵周期為96小時。每日的產(chǎn)量=50000/300=166.7 t每日所需發(fā)酵液的量=166.7/（0.140.9） =1322.8 m3假定發(fā)酵罐的裝液系數(shù)為85%則每日所需發(fā)酵罐容積=1322.8/0.85=1556m3,取發(fā)酵罐的公稱容積為250米3則每日需要6個發(fā)酵罐發(fā)酵周期為4天，考慮放罐洗罐等輔助時間1天，整個周期為5天。則所需發(fā)酵罐的總數(shù)=56+1=31 個,2、結(jié)構(gòu)尺寸的計算 根據(jù)已確定的發(fā)酵罐公稱容積，可由下式計算發(fā)酵罐圓柱體的直徑。,封頭的容積的計算橢圓形封頭的容積可查手冊或按下式計算：,罐的全容積,發(fā)酵罐總高度,液柱高度：,（二）、附屬結(jié)構(gòu)的計算,擋板數(shù)量和尺寸計算,攪拌器的設(shè)計計算 首先根據(jù)生產(chǎn)菌種和發(fā)酵類型選定攪拌器的類型，再從已計算出的發(fā)酵罐的直徑計算攪拌器相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸。,發(fā)酵罐罐體的尺寸比例Di = 1/3DHo = 2 DB = 1/8-1/12 DS = 25 DiC = 0.8-1.0DiH = 1.7-3.5 D,Di-攪拌器葉輪直徑D-罐徑Ho-罐高B-擋板高C 下攪拌葉輪與罐底距S- 相鄰攪拌葉輪間距,（三）、冷卻面積的計算,1、發(fā)酵過程的熱量計算 通常以一年中最熱的半個月中每小時放出的熱量作為設(shè)計冷卻面積的根據(jù)。 發(fā)酵過程中放出熱量的計算方法有：通過冷卻水帶走的熱量進行計算；通過發(fā)酵液的溫度升高進行計算；通過生物合成熱進行計算；通過燃燒熱進行計算,(1)通過冷卻水帶走的熱量進行計算 根據(jù)工藝設(shè)計的要求，選定同類型的發(fā)酵罐，于氣溫最熱的季節(jié)，選擇主發(fā)酵期產(chǎn)生熱量最快最大的時刻，測定冷卻水進口的水溫及冷卻水出口的水溫，并測定此時每小時冷卻水的用量，按下式計算單位體積發(fā)酵液每小時傳給冷卻器的最大熱量。,根據(jù)不同類型的發(fā)酵液測得每m3發(fā)酵液每小時傳給冷卻器最大的熱量為：對青霉素的發(fā)酵約為4.1866000KJm3h，對鏈霉素的發(fā)酵約為4.1864500KJ米3 h，對四環(huán)素發(fā)酵約為4.1865000KJmh，對肌苷發(fā)酵約為4.1864200KJm3.h，對谷氨酸發(fā)酵約為4.1867500KJm3 h。,(2)通過發(fā)酵液的溫度升高進行計算 于氣溫最熱的季節(jié)選擇主發(fā)酵期產(chǎn)生熱量最快最大的時刻，通過罐溫的自動控制，先使罐溫達到恒定，關(guān)閉冷卻水，觀察罐內(nèi)發(fā)酵液在半小時內(nèi)上升的溫度，再換算為一小時內(nèi)上升的溫度，則可按下式計算出單位體積發(fā)酵液每小時放出最大熱量的近似值。,(3) 通過燃燒熱進行計算生物熱 根據(jù)赫斯定律：熱效應(yīng)決定于系統(tǒng)的初態(tài)和終態(tài)，而與變化的途徑無關(guān)。反應(yīng)的熱效應(yīng)，等于產(chǎn)物的生成熱的總和減去作用物的生成熱的總和。,Q發(fā)酵=Q生物+Q攪拌-Q蒸發(fā)-Q輻射,攪拌器所產(chǎn)生的熱量可用下列近似公式計算:,3600：機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒峁Ξ斄浚╧J/kW.h）,汽化熱Q3的計算：,2、冷卻面積的計算 根據(jù)經(jīng)驗： 蛇管的K值為4.186(300450)KJm3hC. 如管壁較薄，對冷卻水進行強制循環(huán)時， 根據(jù)查定， K值約為4.186(8001000)KJm3 h C。,冷卻排管的傳熱系數(shù)可按下式計算：,計算題：一個年生產(chǎn)10萬噸賴氨酸的發(fā)酵工廠，發(fā)酵產(chǎn)酸水平為15，提取總收率為90，年生產(chǎn)時間