单细胞蛋白的发酵罐的设计.docx
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单细胞蛋白的发酵罐的设计
生物工程专业《化工原理课程设计》说明书
题目名称300L发酵单细胞蛋白发酵罐的设计
专业班级2009级生物工程2班
学号
学生姓名
指导教师博士
2011年10月31日
目录
1设计方案.................................................................................................................................1
1.1设计条件.....................................................................................................................1
1.2发酵工艺.......................................................................................................................1
1.2.1发酵菌种………………………………………………..……………………..2
1.2.2发酵工艺流程…………………………………………………………………2
1.2.3发酵参数………………………………………………………………………2
1.3发酵罐尺寸及整体设计……………………………………………………….……..2
1.3.1发酵罐的结构形式………………………………………..…………………...2
1.3.2发酵罐直径和高度………………………………………..…………………...2
1.3.3发酵罐圆筒壁厚的计算…………………………………………………..……2
1.4手孔设计………………………………………………………………….…………..3
2计算
2.1消泡器计算…………………………………………………………………….…….4
2.2传热计算…………………………………………………………………….……….4
2.2.1冷却水计算…………………………………………………………..………...4
2.2.2冷却面积的计算……………………………………………………..………...4
2.3叶轮的计算……………………………………………………..……………...…...5
2.4挡板的计算……………………………………………………………………..…...5
2.5夹套的计算……………………………………………………………………..…...5
3设备选型……………………………………………………………………………….…....6
3.1消泡器的选型………………………………………………………………….…….6
3.2叶轮、转子的选型…………………………………………………………….…….6
3.3罐体、封头的材质………………………………………………………….…….....6
3.4罐体和封头的连接方式…………………………………………………...………...6
3.5手孔的选型………………………………………………..….………...…….….…6
3.6马达的选型…………………………………………………………………...….…..6
3.7轴封的选型………………………………………............….…………………..…..6
4附表………………………………………………………………………………..………...7
5总结…………………………………………………………………………………..……...9
6参考文献…………………………………………………………………………………...10
一设计方案
单细胞蛋白（Singlecellprotein，SCP）是指一些单细胞或具有简单构造的多细胞生物的菌体蛋白的统称。
微生物细胞中含有丰富的蛋白质，其含量在酵母菌中占细胞干物质的45%～55%，细菌中占60%～80%[1]。
热带假丝酵母是生产SCP的主要菌种之一，它能利用各种糖质原料，满足自身生长的需要，将外源蛋白氮转化为菌体蛋白。
热带假丝酵母是生产SCP的主要菌种之一，它能利用各种糖质原料，满足自身生长的需要，将外源蛋白氮转化为菌体蛋白[2]。
1.1设计条件
300L发酵罐，发酵生产单细胞蛋白。
1.2发酵工艺
单细胞蛋白生产菌的选育一般是以细菌、放线菌、酵母菌、霉菌以及某些原生生物等作为出发菌株。
这些微生物通常要具备下列条件：
所生产的蛋白质等营养物质含量高，人体无致病作用，味道好并且易消化吸收，对培养条件要求简单，生长繁殖迅速等。
1.2.1发酵菌种
本设计选用产朊假丝酵母菌（Candidautilis,NCTC3576）。
1.2.2发酵工艺流程图
图1发酵工艺流程图
1.2.3发酵参数
pH调控：
产朊假丝酵母菌有较宽的pH适应范围，在pH4.0~7.0范围内，生物生长量没有明显的变化，在pH=5是最佳[3]。
温度调控：
产朊假丝酵母菌的培养中，将温度从37℃降低到28℃培养，结果发现，37℃并不能提高产朊假丝酵母的生物生长量。
从生产过程中的能量消耗考虑，显然28℃培养是可取的[3]。
1.3发酵罐尺寸及整体设计
1.3.1发酵罐的结构形式
由于本设计的菌种是产朊假丝酵母菌（Candidautilis,NCTC3576），故发酵罐可以采用具有转子和定子的自吸式发酵罐。
罐中的培养液因通气和搅拌会引起液面上升和产生泡沫，因此罐中实际装料量
不能过大，一般取装料系数为0.6～0.75。
取装料系数
为0.70则需发酵罐体积为：
1.3.2确定发酵罐直径和高度
自吸式发酵罐的筒体高度和直径比
=1.15
罐的全容积
可知：
发酵罐内径D=0.636m可取D=0.64m=640mm
则有：
筒体高度H0=1.15D=736mm
发酵罐罐底C=
=213mm
椭圆短半轴长度ha=0.25D=160mm
不同设备的厚度不同，椭圆封头直边高度hb可取30mm、40mm、50mm。
根据我们的发酵设备，取椭圆封头直边高度hb=30mm。
椭圆封头高度h=ha+hb=160+30=190mm
发酵罐总高度H=H0+2h=1116mm
1.3.3发酵罐圆筒壁厚的计算
a计算发酵设备圆筒壁厚的一些参数如下：
计算壁厚：
式中：
—计算壁厚，m；
P—计算压力，kgf/cm2；
Di—内径，m；
[a]t—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+壁厚附加量C
式中：
G是腐蚀裕度，当
-G<10mm时，G=3mm
b计算发酵设备椭圆封头壁厚的一些参数如下：
Y：
开孔系数，取2.3
σ：
设计温度下的许用压力（16MnR钢焊接压力容器需用压力为150℃，170MPa）
c计算结果
圆筒壁厚：
d1=
=3.9mm可取d1=4mm
椭圆封头壁厚d2=
=5.68mm取d2=6mm
1.4手孔的设计
根据《中华人民共和国机械行业标准锅炉手孔装置》，可得：
表1手孔装置的结构要素尺寸
类型
使用锅炉压力范围P（MPa）
椭圆形手孔尺寸（短轴×长轴）
有无加强圈
A
1.680×94
无
B
1.688×102
无
C
1.680×102
有
D
P≤1.6
80×94
无
E
P≤1.6
80×94
有
F
P≤1.6
88×102
无
G
P≤1.6
88×102
有
本设计设计一个手孔，安装在顶封头上。
二计算
2.1消泡器的计算
消泡器位于液面上100mm，长度ι=0.65D=0.65×640=416mm
2.2传热量的计算
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。
通常将发酵过程中产生的净热称为发酵热，其热平衡方程可如下表示：
换热面积
发酵热效应
Q热—发酵热效应,kJ/h
Qp—发酵热，30000kJ/m3•h
V液—发酵液体积，m3
则Q热=30000
（0.3
0.8）=7200kJ/h
2.2.1冷却水量计算
发酵过程,冷却水系统按季节气温不同,采用冷却水系统也不同，为了保证发酵生产,夏季必须使用冰水。
冬季：
采用循环水进口水温t115℃,出口水温t220℃；
夏季：
采用冰水进口水温t2′10℃,出口水温t2′20℃。
冬季冷却用循环水用量计算：
（取裕量系数1.2）
=
=
=7.4kg/h
夏季冷却用循环水用量计算：
W2=3.1kg/h
2.2.2冷却器面积计算
Q—发酵热效应,kJ/h;
夹套的传热系数通常为630~1050kJ/（m2·h·℃），取传热系数K为850kJ/（m2·h·℃）。
△tm—对数平均温差：
=
=10.3℃
F=
=0.82m2
2.3叶轮的计算
叶轮有三叶轮、四弯叶轮、六叶轮等形式，根据我们发酵罐，可知道叶轮的只要尺寸如下：
直径d1=
=
=42.67~20.65mm
取d1=30mm
外径d2=
=213.33mm
厚度d=
=7.5~6mm
取d=7mm
2.4挡板的计算
挡板可以有效地阻止罐内液体的圆周运动，减少或阻止液体下凹现像。
培养液在挡板的作用下会产生小旋涡，这些旋涡随主体流动遍及整个副产品养液中，提高了混合效果。
一般选取全挡板。
挡板宽度Wb：
Wb=
=53.33~64mm
综合设计的参数取值Wb=60mm。
当罐体直径小于1000mm时，取2~4块挡板就可以满足设计条件。
本设计取2块挡板，Zb=2。
2.5夹套的计算
对于容积小于5m³的发酵罐，为了便于清洗，多使用夹套为传热装置。
表2整体夹套直径的确定
DN，mm
500~600
700~800
2000~3000
Di,mm
DN+50
DN+100
DN+200
由表2可知筒体直径为640mm时候夹套的直径Dj为680mm。
夹套的高度一般比料液高50-100mm。
HL=H·Ф=1116×
0.7=781.2mm
H夹=HL+50=781.2+68.8=850mm
根据工艺要求，夹套厚度E取3mm
三设备选型
3.1消泡器的选型
根据我们的发酵罐以及计算的结果，我们选用耙式消泡器。
3.2叶轮、转子的选型
根据计算结果，我们可选择型号为KQW200/300-45/4的叶轮。
由于三直叶形转子使用与低转速的好气性微生物产品发酵，而四弯叶转子对液体剪切力较小、消耗功率较小故我们选择用四弯叶转子。
3.3罐体、封头的材质
考虑从压力、温度、腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料、封头结构与罐体连接方式，因发酵液体偏酸。
对罐体不会有太大的腐蚀性，所以罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆街头。
3.4罐体和封头的连接方式
因为D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。
3.5手孔的选型
根据我们的发酵罐，选择型号为D80×94—85JB/T2191的手孔。
3.6马达的选型
根据我们的发酵罐，体积为300L，功率不会超过750W，所以我们可以选择型号为Y80M1-4的马达。
3.7轴封的选型
轴封的作用是使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。
常用的轴封有填料函和端面轴封两种。
填料函式轴封的优点是结构简单。
主要缺点是：
死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；
端面式轴封的优点：
清洁；密封可靠；无死角，可以防止杂菌污染；使用寿命长；摩擦功率耗损小；轴或轴套不受磨损；
端面式轴封的缺点：
结构比填料密封复杂，装拆不便；对动环及静环的表面光洁度及平直度要求高。
本次设计我们采用结构较为简单的填料函式轴封。
四附表
附表1罐几何体积
项目
结果
单位
发酵罐体积¹（V0）
300
L
装料系数²（
）
0.7
装料容积³（VL）
210
L
发酵罐总高度³（H）
1116
mm
发酵罐筒体高度³（H0）
736
mm
发酵罐内径³（D）
640
mm
发酵罐罐底³（C）
213
mm
椭圆短半轴长度³（ha）
160
mm
椭圆封头直边高度³（hb）
30
mm
椭圆封头高度³（h）
190
mm
焊接系数²（
）
0.8
腐蚀裕度²（G）
3
mm
开孔系数²（Y）
0.23
设计温度下的许用压力²（σ）
170
MPa
圆筒壁厚³（δ₁）
4
mm
椭圆封头壁厚³（δ₂）
6
mm
16MnR钢
双面缝焊接
附表2发酵罐零部件结果
项目
结果
单位
叶轮直径³（d₁）
30
mm
叶轮外径³（d₂）
213.3
mm
叶轮厚度³（δ）
7
mm
KQW200/300-45/4
四弯叶转子
mm
挡板宽度³（Wb）
60
挡板数²（Zb）
2
mm
消泡器长度³（ι）
416
mm
耙式消泡器
Y80M1-4
附表3传热冷却计算结果
项目
结果
单位
发酵热²（Qp）
30000
kJ/m3•h
发酵热效应³（Q热）
7200
kJ/h
裕量系数²（κ）
1.2
冬季循环水进口温度²（
）
15
℃
冬季循环水出口温度²（
）
20
℃
夏季循环水进口温度²（
′）
10
℃
夏季循环水出口温度²（
′）
20
℃
冬季冷却循环水用量³（
）
7.4
㎏/h
夏季冷却循环水用量³（W2）
3.1
㎏/h
传热系数²（K）
850
kJ/（m2·h·℃）
冷却面积³（F）
0.82
夹套直径³（Dj）
680
mm
夹套高度³（H夹）
850
mm
夹套厚度²（E）
3
mm
注：
¹要求；²设计条件；³计算；
工艺要求；
参考文献[3]。
五总结
本设计采用的是带转子和定子的自吸式发酵罐。
由于是自吸式发酵罐，故不需要在罐体内装置搅拌装置。
优点是氧在发酵液中的溶解速率比较高，因为空气靠发酵液高速流动形成的真空自行吸入，气液接触十分良好，气泡分散较细。
第二，发酵罐罐体内没有搅拌装置，大大减少了清洁工作的工作量。
缺点是本设计的发酵罐没有设置空气过滤器，又加上进罐空气处于负压，因而增加了染菌机会；其次搅拌转速比较高，消耗的功率也比较大，有可能使菌丝被搅拌器切断，影响菌体的正常生长；最后气体的吸入量与液体循环量之比很低，可能达不到微生物所需要的溶氧速率。
六参考文献
[1]陈功.中国泡菜的品质评定与标准探讨[J].食品工业科技.2009.
[2]杨希娟,孙小凤,肖明,党斌.马铃薯渣固态发酵制作单细胞蛋白饲料的工艺研究[J].饲料工业.2009.
[3]刘启富,陈志谨,金晓琳,张克斌,饶贤才,胡晓梅,胡福泉.利用废水液体发酵生产单细胞蛋白的实验研究[J].微生物学杂志.2001.
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