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其目的是培养学生理论联系实际能力和查阅资料与论文写作能力，为今后的综合实习、毕业设计或工作奠定前期基础。

发酵工厂工艺设计概论与课程设计是生物工程专业的一门实用性和技术性很强的专业课程。

通过专业课程设计使学生掌握应具备的基本设计技能。

待学生走上工作岗位后既能担负起工厂技术改造的任务，又能进行车间或全厂的工艺设计。

通过课程设计，应训练学生提高以下几方面的能力：

1、搜集实际工业生产工艺数据，熟悉技术文献资料。

2、合理设计工艺路线，准确进行工艺过程计算和设备设计选型计算。

3、以精简的文字、清晰的图表来表达个人设计思想、设计结果。

4、树立科学、经济的设计思想，兼顾安全、劳保、环保等要求。

2设计任务书

2.1基础数据

生产规模：

800吨/年

产品规格：

成品效价为800单位/mg

生产天数：

300天/年

接种量15%

倒罐率：

1%

发酵周期：

8天

每天放罐：

1罐

发酵装料系数：

75%

发酵液收率：

95%

提炼总收率：

70%

平均发酵水平：

25000单位/ml

种子培养基配比（g/L）：

牛肉膏6%，葡萄糖4%，KH2PO41%，MgSO41%

生产培养基配比（g/L）：

葡萄糖4%，黄豆饼粉0.8%，玉米浆1.5%，（NH4）2SO40.5%，豆油0.2%，KH2PO40.01%，CaCO30.04%

2.2参考数据

罐体的高径比H/D：

1～3

搅拌桨直径与罐体直径之比Di/D:

1/3～1/2

挡板宽度与罐体直径之比Wb/D：

1/8～1/12（4块挡板）

最下层搅拌桨高度与罐体直径之比：

0.8～1.0

相邻两层搅拌桨距离与搅拌桨直径之比：

1～2.5

发酵条件：

转数350r/min,温度28℃，pH7.2（400L发酵罐）

冷却水进出口温度分别为25℃、30℃

黏度：

38cP

2．3设计内容

1、根据以上设计任务，查阅有关资料、文献，搜集必要的技术资料，工艺参数与数据，进行生产方法的选择，工艺流程与工艺条件的确定与论证。

2、工艺计算：

全厂的物料衡算；

发酵车间的热量衡算（即蒸汽耗量的计算）；

水用量的计算；

发酵车间耗冷量计算。

3、发酵车间设备的选型计算：

包括设备的容量，数量，主要的外形尺寸。

4、对发酵设备进行详细化工计算与设计。

2.4设计要求

1、根据以上设计内容，书写设计说明书

2、完成图纸一张（A3号图纸）：

发酵设备总装图（剖面和俯视图）。

3工艺流程图

菌种——斜面种子——摇瓶种子——种子罐——发酵罐——

4物料衡算

4.1物料衡算

首先计算生产1000kg成品链霉素所需耗用的原辅材料及其他物料量：

1.发酵液量：

V1=1000×

800÷

[25000×

（1－1%）×

95%×

70%]=48.61m3

2.种子液量（接种量为15%）:

V2=V1×

15%=7.292m3

3.牛肉膏耗用量：

种子液用量：

V2×

6%=7.292×

103×

6%=437.52kg

4.葡萄糖耗用量：

4%=7.292×

4%=291.68kg

发酵液用量：

V1×

4%=48.61×

4%=1944.4kg

葡萄糖总共耗用量：

291.68+1944.4=2236.08kg

5.KH2PO4耗用量：

1%=7.292×

1%=72.92kg

0.01%=48.61×

0.01%=4.861kg

KH2PO4总共耗用量：

72.92+4.861=77.781kg

6.MgSO4耗用量：

7.黄豆饼粉耗用量：

0.8%=48.61×

0.8%=388.88kg

8.玉米浆耗用量：

1.5%=48.61×

1.5%=729.15kg

9.（NH4）2SO4耗用量：

0.5%=48.61×

0.5%=243.05kg

10.豆油耗用量：

0.2%=48.61×

0.2%=97.22kg

11.CaCO3耗用量：

0.04%=48.61×

0.04%=19.444kg

800吨/a，链霉素厂发酵车间的生物料衡算

物料名称

生产1000kg链霉素产品的物料量

800t/a，链霉素生产的物料量

每日物料量

发酵液量（m3）

48.61

38888

129.63

种子液量（m3）

7.292

5833.6

19.45

牛肉膏耗用量（kg）

437.52

350016

1166.72

葡萄糖耗用量（kg）

2236.08

1788864

5962.88

KH2PO4耗用量（kg）

77.781

62224.8

207.42

MgSO4耗用量（kg）

72.92

58336

194.45

黄豆饼粉耗用量（kg）

388.88

311104

1037.01

玉米浆耗用量（kg）

729.15

583320

1944.4

（NH4）2SO4耗用量（kg）

243.05

194440

468.13

豆油耗用量（kg）

97.22

77776

259.25

CaCO3耗用量（kg）

19.444

15555.2

51.85

4.2热量衡算

1.对于单发酵罐，利用直接蒸汽混合加热，蒸汽消耗量为：

式中:

D——蒸汽消耗量,kg

G——被加热料液量,kg

c——料液的比热,kJ/（kg·

℃）

t2——加热结束时料液的温度,℃

t1——加热开始时料液的温度,℃

i——蒸汽的热焓,kJ/kg

η——加热过程中由于热损失而增加的蒸汽消耗量,η可取5%-10%

又料液的比热：

c=0.37×

4.18x+4.18×

（1-x）

x——固形物的质量百分比

根据重庆地区的地理位置及气候条件，取一年中的最低室温10℃作为料液的初始温度t1，η取10%，忽略种子液的加热

被加热料液量:

G=48610+1944.4+388.88+729.15+243.05+97.22+19.444+4.861

=52037.006kg

固形物的质量百分比:

x=（52037.006-48610）/52037.006=3427.006/52037.006=6.59%

料液的比热:

c=0.37×

4.18×

6.59%+4.18×

（1-6.59%）=4.01kJ/（kg·

故直接蒸汽混合加热，蒸汽的消耗量:

D1=Gc（t2-t1）·

（1+η）÷

（i-t2·

c）

=52037.006×

4.01×

（121-10）×

（1+10%）÷

（503.67-121×

4.01）

=1.38×

106kg

2.发酵罐空罐灭菌时的蒸汽消耗量估算：

D=5VFρs

VF——发酵罐全容积,m3

ρs——发酵罐灭菌时,罐压下蒸汽的密度,kg/m3

灭菌时的温度为121℃，在该温度下水蒸汽的密度ρs=943.1kg/m3

发酵罐全容积VF=48.61÷

75%=64.81m3

故D2=5VFρs=5×

64.81×

943.1=3.056×

105kg

3.发酵罐实罐灭菌保温时的蒸汽消耗量估算

一般来讲，保温时间内的蒸汽消耗量可按发酵罐实罐灭菌直接蒸汽加热升温时的蒸汽消耗量的30%～50%来估算。

故D3=50%D1=6.90×

总蒸汽的耗用量为:

D=D1+D2+D3=2.38×

800t/a链霉素车间总热量衡算表

名称

规格（MPa）

每吨产品消耗（kg）

每天消耗（kg）

年消耗量（kg）

蒸汽

0.3（表压）

2.38×

106

6.35×

1.904×

109

4.3耗水量的计算

种子液用水量:

9.722（m3）

发酵液用水量:

48.61（m3）

发酵冷却水用量:

（只考虑全年平均负荷）

W=Q÷

{c2*（tk－tH）}

W——冷却水消耗量，kg/h

Q——物料的热效应,kJ/h

c2——冷却水的比热kJ/（kg*℃），通常水的比热为4.183kJ/（kg*℃）

tk——冷却水的出口温度℃

tH——冷却水的进口温度℃

在计算冷却水耗量时,其冷却水的进出口温差（△t=tk－tH）取5℃（冷冻水或冷盐水）

其中发酵罐发酵过程中的热效应计算:

Q=QF*VL

式中:

Q——发酵罐的热效应,kJ/h

QF——单位体积发酵液所产生的热量,又称发发酵热,kJ/（m3*h）,对于链霉素发酵,其值为18800kJ/（m3*h）

VL——发酵罐内发酵液体积,m3

其中发酵罐内发酵液体积见发酵罐公称容积计算：

VL=100*75%=75（m3）

则W=Q÷

{c2*（tk－tH）}=QF*VL÷

=18800*75÷

{4.183*5}

=67415.73kg/h

800t/a链霉素车间用水量衡算表

规格

每吨产品消耗定额（t/t）

每小时用量（kg/h）

每天用量（t/d）

年耗量（t/a）

冷水

自来水

606.74

67415.73

1617.98

485393

5发酵车间设备的选型计算

5.1发酵罐的选型

根据发酵物的发酵特性，选用机械涡轮搅拌通风发罐（通用罐），选用此种发酵罐的原因主要是：

历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。

5.2生产能力、数量和容积的确定

1、发酵罐容积的确定

公称容积的计算

V0=800*1000*800÷

（25000*300*2*99%*95%*75%）÷

=86.41（m3）,取100（m3）

则选用公称容积100m2的发酵罐。

2、生产能力的计算

平均每罐发产品生产量：

100*75%*99%*95%*70%*25000/800=1543.01（kg）

3、发酵罐个数

N=发酵周期×

每天放罐数=8*2+1=17个

4、主要尺寸的计算

公称容积：

100m3

发酵罐的H/D值取2，

0.785

=118

则

.取D=4m

H=2D=8m；

查表知封头高：

验算全容积：

m3

100m3通用式发酵罐的主要尺寸来确定.得到

罐内径m

4.0

封头容积m3

8.98

圆柱高m

8.0

圆柱部分容积m3

100．48

封头高m

1.05

不计上封头的容积m3

109.46

罐体总高m

10.1

全容积m3

118

5.冷却面积的计算：

发酵罐采用内部列管式蛇管换热,外部表面采用喷淋冷却方式。

蛇管进水温度为25℃,出水温度为30℃,醪液温度不超过36℃。

冷却面积使用牛顿传热定律公式计算，即：

式中：

F——冷却面积,m2

Q总——发酵罐的热效应,kJ/h

K——竖式列管换热器传热系数,选用4.18×

500kJ/（m3·

h·

△tm——对数平均温差,℃

其中平均温差

=[（36-25）－（36-30）]÷

㏑（11/6）

=8.2℃

故冷却面积：

=18800×

75÷

（4.18×

500×

8.2）

=82.27m2

又圆筒外表面积为：

A0=π·

D·

H0=3.14*4*8=100.48m2

因为外淋罐壁冷却效果相当于50%的列管冷却面积,

相当于列管面积为100.48×

50%=50.24m2

所以发酵罐内列管冷却面积为82.27－50.24=32.03m2

6.搅拌器设计：

从消耗功率来看：

平叶>

弯叶>

箭叶

从发酵液中气含率来看：

从轴向混和效果来看：

箭叶>

平叶

从上述条件综合考虑，再考查国内外的主要选型情况。

本次设计选用六弯叶涡轮式搅拌器。

常用六弯叶涡轮式搅拌器的尺寸比列为h:

b:

d1:

d=4:

5:

13:

20，r=0.5d1，θ=38°

由前得出d=2m,可推出h=0.4m，b=0.5m，d1=2.6m，r=1.3m，θ=38°

。

采用3层搅拌器，最下层搅拌桨与罐体直径之比取0.8，则最下层搅拌浆高度为3.2m，根据静液面高HL=6.31m,选取相邻两层搅拌桨距离与搅拌桨直径之比为1,则相邻两层搅拌桨距离为2m。

7搅拌轴功率的计算

搅拌转速以小罐为比拟放大，其转数为N1=350r/min，搅拌叶径D1=0.25m，按比拟放大公式：

N2=N1（D1/D2）2/3=350×

（0.25/2）2/3=87.5r/min

参考设计数据与工厂实际，为保证发酵罐的溶氧系数，取N2=95r/min。

发酵液体被搅动后流体的雷诺数可用下式计算：

=（95/60）×

1.552×

1078.598/38×

=4.3×

105>

104视为湍流状态

此状态下，单一搅拌器的轴功率：

P=NpN3D5ρ

=4.8×

（95/60）3×

25×

1078.598

=657.61kw

上两式中：

Np——功率系数,在圆盘弯叶涡轮式湍流情况下取值4.8

N——搅拌转数,r/s

D——搅拌器直径，m

ρ——液体密度kg/m3,热量衡算中己算出,1078.598kg/m3

μ——醪液黏度，N·

s/m2

在计算搅拌轴功率时,因HL/D,D´

/D值不符合标准尺寸范围,根据实际情进行校正,校正式为:

P校=P[（D´

/D）·

（HL/D）÷

（D´

/D）*÷

（HL/D）*]

=P[0.5×

3.16÷

（1/3）÷

3]1/2

=826.60kw

/D）*和（HL/D）*为标准尺寸范围值,而（D´

/D）和（HL/D）为实际值.

HL——液面静高,其值为圆柱部分液高5.256m+底封头高1.05m,共高6.31m

D——搅拌器直径,2m

总轴功率可由下式计算：

Pm=P校[1+0.6·

（m－1）]

本设计为3层搅拌器，则总轴功率：

Pm=P校[1+0.6×

（3－1）]

=2.2P校

=2.2×

826.60

=1818.53kw

根据轴功率Pm可得出所需电动机输出功率:

P电=（Pm+PT）/η

=Pm（1+10%+2%）/η

=1818.53×

1.12/0.95

=2143.95kw

PT——轴封摩擦损失之功率,kw,分为填料合轴封摩擦损失功率取10%Pm,端面轴封摩擦损失的功率取2%Pm

η——传动机构效率,皮带传动η为0.95

8设备结构的工艺设计

设备结构的工艺设计，是将设备的主要辅助装置的工艺要求交代清楚，以供制造加工和采购时取得资料数据。

本设计的主要辅助设备包括：

[1]空气分布器

对于好气发酵罐,分布器主要有两种形式,即多孔（管）式和单管式,本设计的发酵流程通气量大,所以采用单管通风。

由于其进风速高,又有涡轮板阻挡,叶轮打碎、溶氧是没有问题的。

通气管贴着罐壁到发酵罐底部，在搅拌器正下方开口向下。

[2]挡板

挡板的作用是加强搅拌强度。

本设计中虽有竖式冷却蛇管，但为了消除液面漩涡，更好的提高搅拌功率，采用4块挡板，挡板的宽度W取罐径的1/10，为0.2m。

挡板与罐壁之间应留有一定的间隙，避免培养液中的固体成分堆积在挡板背侧，其大小为0.1W，0.02m。

[3]密封方式

主要是指搅拌轴的密封问题，搅拌抽伸入罐内的方式主要有三种：

从顶部伸入，从底部伸入和斜入法，斜入不是本设计的考虑范围。

而对于顶部伸入和底部伸入法，小罐适合顶部伸入法，而大罐则采用从底部伸入，此法有很多优点，如转动噪声小，重心低，可以减少罐壁厚度，轴的长度缩短后，可使稳定性提高，罐底的空间可以充分安装机械消沫等自动控制部件。

本设计由于发酵罐较大，故采用底部伸入法。

但采用底部伸入法后，对轴封的要求就更为严格，因此本设计采用双端面机械轴封，并用无菌油类或水进行冷却和润滑。

[4]冷却管布置

由冷却水用量衡处得冷却水体积流量为W=18.73×

10-3m3/s,冷却方式采用内置竖直蛇管.取冷却水在竖直蛇管中流速v=1m/s,则根据流体力学方程式,冷却管总截面积：

S总=W/v=18.73×

10-3m2

则进水总管直径d总=（S总/0.875）1/2=0.154m

（1）冷却管组数和管径：

设管径d0.组数为n.由前得到的S总=n·

0.785d02

根据发罐的尺寸,选择8组竖直蛇管.则管径

d0=[S总/（n·

0.785）]1/2

=[18.73×

10-3/（8×

=0.055m

查金属材料表选取ø

63×

3.5无缝管,d内=56mm>

d0，满足要求,取d平均=60mm。

现取竖直蛇管圈端部U型弯管曲径为0.25m则直管距离为0.5m,两端弯管总长度为l0：

则l0=πD=3.14×

0.5=1.57m

（2）冷却管总长度L计算：

由上知冷却管总面积F=82.27m2,现取无缝钢管ø

3.5,每米长冷却面积F0=3.14×

0.0595×

1=0.187m2

则L=F/F0=82.27/0.187=439.95m

冷却管占有体积V=0.785×

0.0632×

439.95=1.37m3

（3）每组管长L0和管组高度：

L0=L/n=439.95/8=55.0m

另需接管8m，则实际管长L实=L+8=448.0m。

可排竖直蛇管的高度,设为静液面高度,下部可伸入封头0.25m。

设发酵罐内附件占有体积0.5m3,则发酵液总占有体积：

V总=V液+V管+V附件.=75（按书上算是64.8）+1.37+0.5=76.87m3

筒体部分液深为:

（V总-V封）/S截=（76.87-8.98）/（0.785×

42）=5.41m

竖蛇管总高：

H管=5.41+0.25=5.66m

又两端弯管总长l0=1.57m,两端弯管总高为0.5m

则直管部分高度:

h=H管-0.5=5.16m

一圈管长：

l=2h+l0=2×

5.16+1.57=11.89m

（4）每组管子圈数：

n0=L0/l=55.0/11.89=5圈

现取管间距为：

2.5D外=2.5×

0.063=0.16m

[5]pH测定

电极测量，在装料液面中间部位开两个电极插入孔。

[6]消泡

因化学消泡容易造成染菌，因而选用罐外消泡器，本设计设备选用离心式消泡器。

[7]观察窗口

装料液面部位装置观察窗。

[8]液面高度显示管安装

外置有机玻璃管。

[9]封头连接方式

上封头直接焊接于筒身上，但在顶上开有人孔，以便进行检修。

6对本设计的评述

7参考文献