持续灭菌系统的设计.docx
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持续灭菌系统的设计
化学工程与技术学院
《发酵工程》课程设计报告书
班级：
生物工程0801
姓名:
万新春
学号：
3014
设计小组：
黎攀、万新春、胡梓康、
肖婵、贾小花
设计课题：
培育基持续灭菌系统设计
设计时间：
2011-9-28
指导教师：
杨忠华
一、前言
发酵工程是指采用现代工程技术手腕，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有效的产品，或直接把微生物应用于工业生产进程的一种新技术，发酵工程的内容包括菌种的选育、培育基的配制、灭菌、扩大培育和接种、发酵进程和产品的分离提纯等操作单元。
发酵工程由三部份组成：
上游工程、中游工程和下游工程。
其中上游工程包括优良菌株的选育，最适发酵条件（pH、温度、溶氧和培育基成份）的肯定，营养物的准备等。
中游工程主如果指在最适合的发酵条件下，发酵罐中大量培育细胞和使细胞生产代谢产物的工艺技术。
这里要有严格的无菌生长环境，包括发酵开始前对发酵培育基和发酵罐和连接管道的灭菌技术；在发酵进程中不断向发酵罐中通入干燥无菌空气的空气过滤技术；在发酵进程中按照细胞生长要求控制加料速度的计算机控制技术；还有种子培育和生产培育的不同的工艺技术。
另外，按照不同的需要，发酵工艺上还分为：
批量发酵；流加发酵；持续发酵。
在进行任何大规模工业发酵前，必需在实验室规模的小发酵罐进行大量的实验，取得产物形成的动力学模型，并按照这个模型设计中试的发酵要求，最后从中试数据的基础上再设计更大规模生产的动力学模型。
也就是尝试发酵工艺的放大。
下游工程是指从发酵液中分离纯化出产品的技术：
包括固液分离技术，细胞破壁技术，蛋白质纯化技术，最后还有产品的包装处置技术。
现代发酵工程已经普遍应用于医药、化工、轻工、能源、环保等领域，随着发酵工程技术的进步和人们对于发酵产品质量要求的提高，发酵工艺进程中的各类问题愈来愈引发大家的关注，如何解决这些问题是整个发酵生产进程中极为重要的环节。
工业发酵稳产的关键条件之一是在整个进程中维持纯种培育，避免杂菌的入侵。
而作为中游技术中的发酵开始前对发酵培育基和发酵罐和连接管道的灭菌技术是避免“染菌”的重点内容。
培育基持续灭菌系统是发酵工艺中常常利用的一种灭菌技术，它的主要长处是持续性强，快速灭菌，培育基的营养成份破坏少，适用于大容积发酵罐物料的持续灭菌消毒。
加热时间短，提高了热的利用率；操作条件恒定，灭菌质量稳定；易于实现管道化和自控操作；发酵设备利用率高。
设计任务
液体培育基持续灭菌系统的设计（流量80t/h）
技术背景
培育基的灭菌方式一般有实消和连消两种方式，连消即将培育基在发酵罐外，通过专用消毒装置，持续不断的加热维持保温和冷却，然后进入发酵罐的灭菌方式。
该方式的主要长处有：
提高培育基的灭菌效果，节约大量的蒸汽与冷凝水；采用高温、快速灭菌、物料受热时间短、营养成份破坏少；灭菌时间短，发酵罐的利用率高；蒸汽负荷均衡，锅炉利用率高；适宜采用自动控制降低劳动强度。
培育基持续灭菌系统设备由配料罐、送料泵、预热罐、连消泵、加热器、维持管（管式维持器）、冷却器七个关键设备组成。
持续灭菌的工艺流程为：
配料——预热——加热——保温——降温。
预热后的培育基通过连消泵输送到加热器后，培育基与高温蒸汽进行混归并迅速达到灭菌温度，其目的是使培育基在较短时间内快速升温。
加热器有塔式加热器和喷射式加热器两种。
加热后的培育基抵达维持罐或管式维持器某种保温设备后，经一段时间的保温停留时间（这段时间就是实际的灭菌时间）后达到灭菌效果。
灭完菌的培育基要通过快速降温阶段才能减少培育基营养成份的破坏，同时接近实际发酵所用的温度条件。
目前国内利用最多的冷却设备有喷淋冷却器和板式冷却器两种。
本设计采用的方案
本设计通过必然的计算和比较后拟在持续灭菌的加热阶段采用塔式加热器。
保温阶段采用管式维持器，降温阶段采用板式换热器。
二、计算进程
塔式加热器的设计
培育基体积流量：
（1）
式中：
Ms——设计任务所给培育基质量流量80t/h。
——培育基密度㎏/m3，这里取水的密度1000㎏/m3进行计算。
代入
（1）式得
培育基比热计算：
培育基料液中固形物的含量按一般培育基取ω=8%，固形物的比热按主要成份淀粉的比热C0=（㎏·℃）.水的比热取100℃，条件下的Cω=kJ/（㎏·℃）.本设计拟采用绝压为,165℃的蒸汽对培育基进行加热，此条件下蒸汽的焓2768kJ/㎏。
培育基的比热可近似的采用下式计算：
（2）
代入数据得
加热蒸汽用量计算
（3）
式中：
G——培育基的体积流量m3/s。
ρ——培育基密度㎏/m3。
C——培育基比热kJ/（㎏·℃）。
t——培育基灭菌温度130～140℃，本设计拟采用133℃。
——培育基预热后的温度70～90℃，本设计拟采用85℃。
λ——蒸汽的焓，即I=2768kJ/㎏。
Cω——水的比热kJ/（㎏·℃）
将相关数据代入（3）式得：
2.1.1蒸汽导入管管径的计算
（4）
式中：
S——蒸汽用量㎏/s
V——加热蒸汽的比体积m3/㎏，此设计条件下为m3㎏。
ωs——加热蒸汽在导管内的流速，常取20～25m/s，本设计拟采用25m/s。
将相关数据代入上式得：
取管壁厚度为4㎜，则
外=0.178m.
2．1.2塔式加热器的塔径计算
连消塔的塔径可用下式进行计算：
（5）
式中：
ω——培育基在环隙内的流速，在0.1m/s左右，本设计拟采用0.1m/s。
代入相关数据得：
培育基在连消塔内的停留时间一般为20～30s，本设计拟采用停留时间τ=25s。
则连消塔塔高：
（6）
得：
培育基入口管径d拟0.1m。
由
（7）
式中：
——培育基在管道内的流速m/s。
代入相关数据得：
导入管开孔数的计算按下式计算：
（8）
式中：
——开孔系数，一般取～，本设计取
——小孔孔径，一般为5～8㎜，本设计拟采用5㎜。
代入相关数据得：
2.2管式维持器的设计
2.2.1灭菌时间的计算
灭菌前培育基料液中微生物密度
选定灭菌后的培育基中微生物个数Ns=个
灭菌常数的计算：
则
维持管内的压力
料液体积
则
轴向彼克列数：
→∞，流体在管中呈活塞流态；
=0，流体呈全混合状态；
≥1000，流体呈平推流，此时反混值最小。
设
=1000。
达姆科勒数
（9）
代入相关数据得：
2.2.2加热塔整体设计
加热塔的有效高度H=2.5m。
设计培育基入口管到塔底的距离h1=0.6m,培育基出口管离塔顶的高度h2=0.6m。
则整个加热塔的高度
。
设计排污管的管径d=0.2m。
加热塔的壁厚取8mm。
2.2.3附属管道的设计
维持管管径：
（10）
式中：
——培育基料液在维持管内的流速，一般为～0.6m/s。
则
选取管道为
型号的无缝钢管，则管道长度为
需要进行校核验算，验证
是不是成立，不然需要从头选型。
校核：
（11）
代入相关数据得：
雷诺数：
（12）
式中：
——培育基的黏度，一般培育基的黏度3×10-3Pa·s
代入相关数据得：
（13）
式中：
——轴向扩散系数。
代入相关数据得：
＜
不符合要求，选型失败。
改成选取流速
，则
选取管道为
的无缝钢管，则管道长度:
则计算可得:
雷诺数：
最终取得:
＞
符合要求。
故培育基的平均停留时间为，选取
230×5的无缝钢管，维持管的总长度为70m。
离心泵选用IS（压头12m,流量100m3/h）
换热器设计
2.3.1预热时的能耗计算
预热时每小时所需的热量：
（14）
式中：
T——培育基预热后的温度，本设计取85℃.
T0——培育基预热前的温度，取20℃。
代入相关数据得：
2.3.2板式换热器设计
本设计拟采用板式换热器对灭菌后的培育基进行冷却。
一般设计参数，传送进程热损失至培育基冷却前后的温度T1，T2别离为130℃,40℃。
所采用的冷却水换热前后的温度t1,t2取25℃,35℃。
热量衡算公式：
（15）
若本设计采用逆流换热方式：
则
℃
℃
对数平均温差：
薄板的传热系数K=2300W/（m2·℃）
假设换热进程中的热损失为8%，则整个换热进程所互换的热量
传热面积A按下式进行计算：
（16）
则换热面积：
采用的板式换热器型号如下表：
单片换热面积：
㎡
法兰通径：
DNmm
80
板间距：
mm
工作温度：
℃
≤150
单流道截面积：
㎡
工作压力：
mPa
，，
最大处理量：
m3/h
120
角孔直径：
mm
80
板片外形尺寸：
mm
1135*370*
法向波纹节距：
mm
15
有效换热面积：
㎡
流道宽度：
mm
320
单片重量：
kg
平均板间距：
mm
角孔尺寸：
mm
67
平均流道截面积：
㎡
波纹高度：
mm
平均当量直径：
mm
波纹型式
等腰三角形
板片材料
304316L
所需冷却水的流量：
三、设计结果汇总
塔式加热器相关数据如下表
塔高（m）
蒸汽导入管内径（m）
蒸汽流速（m/s）
25
小孔孔径（mm）
5
开孔数（个）
820
培养基进出口管内径（m）
培养基在环隙内的流速（m/s）
排污口内径（m）
壁厚（mm）
8
维持管设计及离心泵选型如下表：
加热塔塔前离心泵
IS100-80-160
维持管管前离心泵
IS
维持管内径（m）
维持管壁厚（mm）
4
维持管总管长（m）
70
单层维持管管长（m）及层数（层）
514
四、设计图纸（见附件）
1，持续灭菌系统流程图（图一）
2，加热塔结构图（图二）
五、结束语
通过两个礼拜的课程设计，在克服了各类困难，和小组五位成员的沟通交流互帮合作一路尽力下一份持续灭菌系统完整的设计报告新鲜出炉。
在整个进程中大家充分利用自己掌握的专业知识和化工相关内容，群策群力不断的解决一个又一个的问题，老师，图书馆，互联网都成了大家学习知识，充实自己头脑的朋友。
在整个进程中我也曾为一个难题寝食难安，也曾为解决了一个又一个难题而兴高采烈，充分体会到了学习的重要性，已经学习能够给我带来多少的欢乐。
正如生活一样，付出的越多，取得的回报也就更丰厚。
汗水和尽力终究能够带来身心的愉悦和成功的欢乐。
在这即将结束的时刻，回味整个进程，其实就是一个将理论知识和实践充分相结合，在实践中掌握知识真理的进程。
发酵工程作为生物工程专业里面重要课程之一，具有很强应用性要求，课程设计就是理论联系实际，应用讲义知识进行实际应用模拟的进程。
在课程设计的进程中，咱们一方面对发酵工程的基础理论有了更深的理解，逐渐开始融会贯通；另一方面，咱们也对工厂设备的设计有了必然的了解，在更深刻体会设计之艰难的同时，也消除以前心中怀有的对于设计的那种神秘感并逐渐喜欢了这样的学习模式。
通过这次的课程设计，我不仅熟练掌握了培育基灭菌知识，同时对于发酵工程其他内容有了进一步的了解与体会。
而且对于发酵工程的设计方式和原则有了进一步的熟悉，学会了查询各类相关手册和书籍，同时也加倍熟练掌握了通过互联网了解最新专业知识的方式，加倍巩固了利用AutoCAD画图技能。
在设计进程中考虑各类因素，比较方案的可行性也使自己学会了加倍全面的考虑问题。
通过两个礼拜的课程设计我熟悉到了态度决定一切，任何事情只要自己认真的投入其中，利用各类资源和学习工具走好每一步，就必然会有一个满意的答案。
人生亦是如此，坚定的理想和信念，永不言弃的精神，加上一颗永不止步的心必然会让自己的人生加倍丰硕多彩。
在此结束之际，我要真诚地感激在课程设计进程中给予我很大帮忙的杨忠华老师和和我一路奋斗，一路尽力解决各类困难的小组成员们，这些都对于我完成这份设计报告相当重要。
限于自己掌握的知识水平有限，在设计进程中不免会有一些瑕疵和不足的地方，恳请老师进行批评指正。
六、参考文献
[1]郑裕国、薛亚平等《生物加工进程与设备》第二章第一节液体培育基的灭菌。
[2]俞俊棠、唐孝宣等《新编生物工艺学》第五章灭菌
[3]谭天恩，窦梅等《化工原理》第三版上册第五章传热
[4]李继泽，发酵培育基持续灭菌工艺的改良.发酵科技通信.1992/04（表示期刊数，下同）
[5]杨钦湘，管式维持器的设计.医药工程设计.1985/06
[6]高孔明，培育基的持续灭菌.发酵科技通信.1979/03
[7]曹震琴，培育基持续消毒和塔高的设计.化学世界.1966/05
[8]田洪涛、高年发等编著.现代发酵工艺原理与技术.化学工业出版社.
[9]刘守强，生物发酵持续消毒进程的改良.发酵科技通信.2008/04
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