年產(chǎn)20噸硫酸慶大霉素發(fā)酵罐設(shè)計

1、1 前言 生物反應(yīng)工程與設(shè)備課程設(shè)計是生物工程專業(yè)一個重要的、綜合性的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，要求綜合運用所學(xué)知識如生化反應(yīng)工程與生物工程設(shè)備課程來解決生化工程實際問題，對培養(yǎng)我們?nèi)娴睦碚撝R與工程素養(yǎng)，健全合理的知識結(jié)構(gòu)具有重要作用。發(fā)酵罐是發(fā)酵設(shè)備中最重要、應(yīng)用最廣的設(shè)備，是發(fā)酵工業(yè)的心臟，是連接原料和產(chǎn)物的橋梁。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，市面上出現(xiàn)了種類繁多、功能更加完備的新型發(fā)酵罐。如何選擇或者設(shè)計一種合適的發(fā)酵罐將會成為一個研究熱點。本文旨在通過相應(yīng)的參數(shù)計算和設(shè)備計算完成年產(chǎn)20噸慶大霉素的機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐初步設(shè)計。2 常見的發(fā)酵罐2.1機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐 機(jī)械攪拌發(fā)酵罐是利用機(jī)械攪拌器的作用，使

2、空氣和發(fā)酵液充分混合，促使氧在發(fā)酵液中溶解，以保證供給微生物生長繁殖、發(fā)酵所需的氧氣,又稱通用式發(fā)酵罐?？捎糜谄【瓢l(fā)酵、白酒發(fā)酵、檸檬酸發(fā)酵、生物發(fā)酵等。 圖1 機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐2.2氣升式發(fā)酵罐氣升式發(fā)酵罐把無菌空氣通過噴嘴噴射進(jìn)發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡打碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而含氣率小的發(fā)酵液下沉，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質(zhì)。其結(jié)構(gòu)簡單、不易染菌、溶氧效率高和耗能低，主要類型有氣升環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等。 圖2 氣升式發(fā)酵罐原理圖2.3自吸式發(fā)酵罐 自吸式發(fā)酵罐是一種不需要空氣壓縮機(jī)，而在攪拌過程中自吸入空氣的發(fā)酵罐。葉輪旋轉(zhuǎn)時葉片不

3、斷排開周圍的液體使其背側(cè)形成真空，由導(dǎo)氣管吸入罐外空氣。吸入的空氣與發(fā)酵液充分混合后在葉輪末端排出，并立即通過導(dǎo)輪向罐壁分散，經(jīng)擋板折流涌向液面，均勻分布。 與機(jī)械發(fā)酵罐相比，有一個特殊的攪拌器，但沒有通氣管。罐為負(fù)壓，易染菌，當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時，會打碎絲狀菌。 圖3 自吸式發(fā)酵罐3 已知工藝條件（1）年產(chǎn)量：g=20 t（慶大霉素）（2）年工作日：m=300天（3）發(fā)酵周期：t=6天（4）發(fā)酵平均單位：m=1400單位/毫升 （5）成品效價：p=580單位/毫克（6）提煉總效率：p=87% （7）每年按300天計算，每天24小時連續(xù)運行。（8）裝料系數(shù)：=75%4 工藝計算4.1 由年產(chǎn)量決定每天

4、放罐發(fā)酵液體積 4.2 發(fā)酵罐公稱容積和臺數(shù)的確定 =42.4 按照國內(nèi)發(fā)酵罐系列?。好刻旆殴尴禂?shù)，取=1罐；：發(fā)酵罐裝料系數(shù)，=75%；發(fā)酵罐總臺數(shù)n=發(fā)酵周期 n=16=6(臺）發(fā)酵周期=每罐批發(fā)酵時間+輔助時間輔助時間=進(jìn)料時間+滅菌操作時間+移種時間+放罐壓料時間+清洗檢修時間4.3 發(fā)酵罐實際產(chǎn)量4.4 每噸產(chǎn)品需要的發(fā)酵液量4.5 機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐的高度和直徑確定發(fā)酵罐的高度和直徑：設(shè)發(fā)酵罐的圓筒體積為，封底體積為 =+ =取h=1.95d即m d=3.1m h=6.0m其中，d為發(fā)酵罐公稱直徑，h是發(fā)酵罐圓筒高。4.6機(jī)械發(fā)酵罐壁厚的計算4.6.1計算法確定發(fā)酵罐的壁厚 式中，p設(shè)

5、計壓力，取最高工作壓力的1.05倍，p=0.4mpad發(fā)酵罐內(nèi)徑，d=310cm【】a3鋼的許用應(yīng)力，【】=127mpa 焊縫系數(shù)，取=0.7c壁厚附加量鋼板負(fù)偏差，取為腐蝕欲量，取=2mm加工減薄量，取=0，代入上式得 4.6.2封頭壁厚計算-橢圓封頭的直邊高度m，取=0.05m-橢圓封頭短半軸長度，=標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的厚度計算公式如下： 式中，p=0.4mpa，d=310cm，【】=127mpa=0.08cm，=0.2cm，=0.1cmcm，=0.7代入上式，得 : 查鋼材手冊圓整為=12mm。4.7 發(fā)酵罐攪拌裝置計算和軸功率計算4.7.1 攪拌裝置 發(fā)酵罐的攪拌器一般都采用圓盤的渦輪攪拌器

6、，攪拌葉的形式有平葉、彎葉、箭葉三種，其外形見下圖： 圖4 三種常用渦輪攪拌器 攪拌葉形式的選擇是發(fā)酵罐設(shè)計中的一個關(guān)鍵。本次設(shè)計，由于慶大霉素發(fā)酵過程有中間補(bǔ)料操作，對混合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪拌器。該攪拌器的各部分尺寸與罐徑d有一定比例關(guān)系，現(xiàn)將主要尺寸列出：攪拌器葉徑d=d/3=3.1/3=1.03m 取d=1.m擋板寬 b=0.1 d=0.11=0.1m底距 c=d=1.0m攪拌葉間距 s=d=3.1m 彎葉板厚 =12mm4.7.2 攪拌軸功率的計算4.7.2.1 不通風(fēng)情況的攪拌軸功率 不通風(fēng)情況的攪拌軸功率隨著液體的性質(zhì)、攪拌器的形式、罐的結(jié)構(gòu)尺寸的不同而不同。經(jīng)過大量實

7、驗可得功率準(zhǔn)數(shù)（）和攪拌雷諾指數(shù)（）之間的函數(shù)關(guān)系：= -p=其中：p：攪拌功率（公斤）（1千瓦=102公斤） n：攪拌器轉(zhuǎn)速（）：攪拌器直徑（米）：液體密度（公斤/）由化工原理可知： 湍流 滯流 過渡流 圖5 上式公式只適用于湍流和滯留，過渡流時不是一個常數(shù)，必須從曲線查詢。 當(dāng)，屬于湍流區(qū)。此時的流體（見圖5）稱為牛頓型流體，由上圖實驗得出的曲線來看，該區(qū)不隨的增加而增加，基本上趨于水平線，也就是說為一常數(shù)。六平葉渦輪漿 =6.0六彎葉渦輪漿 =4.7六箭葉渦輪漿 =3.7工作狀態(tài)時，通常發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液都需要處于湍流狀態(tài)，因此使用曲線圖，線圖計算無通氣時的攪拌率比較方便，算出，并查的值，則

8、攪拌功率即可由下式計算（生物工廠設(shè)計）若不符合上述條件，可用下面公式校正：功率計算：已知n=170轉(zhuǎn)/分 （工廠提供數(shù)據(jù)）（，工廠測定數(shù)據(jù)）=4.7由公式 校正得：根據(jù)一般攪拌器之間的距離s=1.5-2.5攪拌器個數(shù)= = =2.9個 取3個一般，三個攪拌器為單個攪拌器的2倍：kw4.7.2 通風(fēng)條件下的攪拌功率由風(fēng)速估計通風(fēng)情況下的攪拌功率將下降，當(dāng)風(fēng)速大于30米/小時，通風(fēng)功率僅為不通風(fēng)的40-50%則=。由經(jīng)驗公式估計密氏公式（生物工廠設(shè)計） 其中k=0.156 = =109.1kw設(shè)機(jī)械傳動效率為0.8則 從上面可以看出，基本功率約為137kw。4.8 發(fā)酵罐冷卻水量和冷卻面積計算4.

9、8.1 發(fā)酵熱效應(yīng)其中：發(fā)酵熱效應(yīng) kj/h：發(fā)酵熱3500kcal/=14700kj/:發(fā)酵液體積 32各種發(fā)酵液發(fā)酵熱見下表： v4.8.2 冷卻水量的計算發(fā)酵過程，冷卻水系統(tǒng)按季節(jié)氣溫的不同，采用冷卻水系統(tǒng)也不同，為了保證發(fā)酵液生產(chǎn)，夏季必須使用冰水。冬季：氣溫時采用循環(huán)水進(jìn)口17，出口20.夏季：氣溫時采用循環(huán)水進(jìn)口10，出口20.冬季冷卻水循環(huán)水用量計算：夏季冷卻水用量計算：取14噸/時。4.8.3 冷卻器面積計算取k=300取254.9 蒸汽消耗量計算 發(fā)酵罐蒸汽消毒有三種方法：實消、連消、空消。慶大霉素常常采用實消方法。實消蒸汽用量最大，蒸汽直接通入罐內(nèi)與發(fā)酵液等一起加熱，使罐溫

10、從80-90迅速升溫至120以達(dá)到滅菌的效果。保溫時間內(nèi)蒸汽用量按升溫用汽量的30-50%進(jìn)行計算。4.9.1 直接蒸汽混合加熱蒸汽消耗量的計算：蒸汽消耗量 kgg：被加熱料液量 kg，已知為32：加熱結(jié)束時的料液溫度120：加熱開始時的料液溫度35i：蒸汽焓kj/kg，0.4mpa焓為650kcal/kg：熱損失5-10%，取5%4.9.2 滅菌保溫時間內(nèi)的蒸汽用量=0.5kg4.10 發(fā)酵罐發(fā)酵過程中需要壓縮的空氣量4.10.1 通風(fēng)比計算法 發(fā)酵工廠壓縮空氣量一般都是根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗以通風(fēng)比來決定，如慶大霉素工廠提供的通風(fēng)比1:1.2-1.5已知發(fā)酵罐506臺，裝料系數(shù)75%，取通風(fēng)比為

11、1:1.2，則壓縮空氣需要量：4.10.2 耗氧率的計算方法 各種微生物的耗氧率因種類的不同而不同，其范圍大致為25-100mgmol/l.h(慶大霉素生產(chǎn)取38mg-mol/l.h)，根據(jù)抗生素生產(chǎn)工藝學(xué)）p103(7-30)公式：耗氧率=單位時間內(nèi)進(jìn)口空氣中氧的含量單位時間內(nèi)出口空氣中氧的含量：耗氧速率mg-mol/l.hg：空氣流量：進(jìn)口空氣含量 21%：出后空氣含量 19.8%（工廠數(shù)據(jù)） 計算結(jié)果和通風(fēng)比計算結(jié)果非常接近，進(jìn)一按通風(fēng)比計算切合實際。5 管道設(shè)計5.1 接管設(shè)計 接管的長度h設(shè)計 各接管的長度h根據(jù)直徑大小和有無保溫層，一般取100200mm 接管直徑的確定 主要根據(jù)流

12、體力學(xué)方程式計算。已知物料的體積流量，又知各種物料在不同情況下的流速，即可求出管道截面積，計算出的直徑再休整到相近的鋼管尺寸即可。 通風(fēng)管的管徑計算 該罐實裝醪量32 設(shè)1h內(nèi)排空，則物料體積流量 發(fā)酵醪流速取v=1m/s則排料管截面積為 則管徑取無縫鋼管121x4適用。 若按通風(fēng)管計算，壓縮空氣在0.4mpa下，支氣管氣速為20m/s，通風(fēng)比 1:1.2。20，0.1mpa下：q=32x1/1.2=25.8計算到0.4mpa，30狀態(tài)下： 取風(fēng)速v=20m/s，則風(fēng)管截面積為： ，則氣管直徑為： 取d=95x4無縫管，則滿足工藝要求。由此可知：則進(jìn)料口： d=121x4 封頭 排料口： d=

13、121x4 罐底進(jìn)氣口： d=95x4 封頭排氣口： d=95x4 罐底橢圓人孔： 300x400mm 封頭 5.2 蛇管的計算冷卻管總面積 冬季最高峰時w=45t/h=12.5kg/s，冷卻水體積流量為12.5kg/s，取冷卻水在豎直蛇管中流速1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積為： 式中：w：冷卻水體積流量，w=12.510m/sv：冷卻水流速，v=1m/s代入上式，=12.510冷卻管組數(shù)和管徑設(shè)管徑為，組數(shù)為n，則=n.0.785.d根據(jù)本罐情況，取n=3，求管徑，由上式得： 查金屬材料表選取不銹鋼無縫鋼管表，選取834無縫管，=75mm，滿足要求，平均=77mm?，F(xiàn)取豎蛇管圈

14、端部u型彎管曲徑為250mm，則兩直管距離為500mm，兩端彎管總長度 冷卻管總長度l計算 有前知冷卻管總面積f=25現(xiàn)取無縫鋼管834，每米長冷卻面積為則=104.2+4=108.2m冷卻管占有體積v=0.7850.073104.2=0.44m每組管長和管組高度 兩端彎管總長=1570mm，兩端彎管總高為500mm，則直管部分高度：h=h-500=3400-500=2900（mm），則一圈管長每組管子圈數(shù) 現(xiàn)取管間距，豎直蛇管與罐壁的最小距離為0.15m，則可計算出與攪拌器的距離在允許范圍內(nèi)（不小于200mm）。校核布置后冷卻管的實際傳熱面積 而前有f=25.7，f，可滿足要求。5.3支座選

15、擇 發(fā)酵設(shè)備常用支座分為臥式支座和立式支座。其中臥式支座又分為支腿，圈型支座，鞍型支座三種。立式支座也分為三種即：懸掛支座，支撐式和裙式支座。 對于以上的發(fā)酵罐，由于設(shè)備總重量較大，應(yīng)選用裙式支座。本設(shè)計v=選用支撐式支座。6 參考文獻(xiàn)【1】鄭裕國.生物工廠設(shè)備m北京.化學(xué)工業(yè)出版社，2007【2】吳思芳.發(fā)酵工廠工藝設(shè)計概論m北京.輕工業(yè)出版社，2006【3】梁世忠.生物工程設(shè)備2009,7【4】曲文海，朱有庭化工設(shè)備設(shè)計手冊m.2005,6【5】陳乙崇等攪拌設(shè)備設(shè)m.1988,1設(shè)計結(jié)果匯總項目工藝尺寸 項目 大小發(fā)酵罐公稱體積50實際裝液量31罐徑d3100mm罐壓p0.4mp罐高h(yuǎn)6000