发酵产酸性蛋白酶草稿.docx
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发酵产酸性蛋白酶草稿
江西科技师范学院
生物工程专业《化工原理课程设计》说明书
题目名称1000L发酵罐发酵生产酸性蛋白酶
专业班级09级生物工程1班
学号--------------------------------------------
学生姓名___________________
指导教师 ________
2011年10月31日
目录
一、设计方案1
1.1设计条件1
1.2发酵工艺1
1.2.1发酵工艺图1
1.2.2菌种的选择2
1.2.3菌种培养基的配制2
1.3发酵罐尺寸及整体设计2
1.4补料系统的设计2
二、计算3
2.1发酵罐圆筒壁厚的计算3
2.2通风量的计算3
2.3传热量的计算3
2.3.1发酵热3
2.3.2冷却水用量4
2.3.3冷却器面积计算4
2.4搅拌器轴功率计算4
2.4.1不通气条件下的轴功率P04
2.4.2通气搅拌功率Pg的计算4
2.5接口管的计算5
三、设备选型6
3.1搅拌器的选择6
3.2电机及变速装置选用6
3.3挡板6
3.4管道接口6
3.5仪表接口7
3.6支座选择7
3.7手孔7
3.8视镜7
3.9轴封类型的选定7
四、附录8
附录1计算结果汇总表8
附录2搅拌功率的设计计算结果表8
附录3发酵罐冷却装置设计计算结果9
附录4设备选型汇总表9
附录5查氏培养基9
五、总结10
六、参考文献及资料11
一、设计方案
蛋白酶做为一种重要的工业酶制剂，作为一种较早被人们了解的酶类现在正在人类的生活中发挥巨大的作用，特别是酸性蛋白酶以其作用的广泛性﹑高效率越来越多的受到了人们的关注。
本设计以容积为1000L规模，针对酸性蛋白酶发酵生产过程中最主要的设备发酵罐进行了模拟设计和选型。
本论文进行工艺计算﹑主要设备工作部件（如罐体﹑罐体壁厚﹑封头壁厚计算﹑搅拌器﹑仪表接口﹑人孔和视镜﹑管道接口等）尺寸的设计。
1.1设计条件
1000L发酵罐发酵生产酸性蛋白酶。
1.2发酵工艺
1.2.1发酵工艺图
酸性蛋白酶发酵工艺流程图
1.2.2菌种的选择
本实验选用黑曲霉作为菌种，发酵生产酸性蛋白酶，该霉菌株在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心的保藏编号为3.350。
1.2.3菌种培养基的配制
查氏培养基，见附录5。
1.3发酵罐尺寸及整体设计
a﹑公称容积，指罐的圆柱部分和底封头容积之和。
b、罐的全容积，指罐的圆柱部分和两封头容积之和。
工艺参数和高径比确定各部几何尺寸：
设定高径比H/D=2，则H=2D。
设定全体积V０，=1000L=1
，ha=0.25D。
公称体积V－罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和。
全体积V０－罐的筒身（圆柱）体积和上下封头体积之和。
圆柱体积VC
上封头体积=下封头体积=Vb
V0=VC+2Vb
VC=（π/4）D2H
Vb=
，可近似Vb=（π/24）D3
V0=（π/4）D2H+2（π/24）D3=（7π/12）D3
代入V0=1即可求得D≈0.82m
发酵罐实际体积V0=（7π/12）D3=1010L
ha为椭圆短半轴长度，hb为椭圆封头的直边高度
搅拌器直径Di=D/3=0.27m
发酵罐带两组搅拌器，其间距S=3Di=0.82m
最下面一组搅拌器与灌底的距离C=Di=0.27m
挡板宽B=0.1D=0.082m，ha=0.25D=0.205m
罐身高H=2D=1.64
1.4补料系统的设计
本发酵罐拆采用分批发酵，不需要设计补料系统。
二、计算
2.1发酵罐圆筒壁厚的计算
该发酵罐采用双面对焊GB150-89钢制焊接压力容器，许用应力标准为：
[a]t＝137MPa。
计算发酵设备圆筒壁厚的一些参数如下：
计算壁厚：
=PD/（230[a]t
-P）+C
式中：
—计算壁厚mm；
P—计算压力，本实验压力在7.6×103Pa=760MPa；
Di—内径，82mm；
[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+腐蚀量C
C—腐蚀量（每年腐蚀的量），C取3mm
=PD/（230[a]t
-P）+C=（760×82）/（230×0.8×137-760）+3=5.55≈6mm
2.2通风量的计算
前24h前的通风量为=0.25×0.66=0.165
/min
通风管口直径为40mm，截面积S=π（d/2）2=3.14×10-4m2
通风速度V=通风量Q/截面积S=0.165/（3.14×4×10-4×60）=2.2（m/s）
24～48h的通风量为=0.5×0.66=0.33
/min
V=Q/S=0.33/（3.14×4×10-4×60）=4.4（m/s）
48～72h的通风量为=1.0×0.66=0.66
/min
V=Q/S=0.33/（3.14×4×10-4×60）=8.8（m/s）
2.3传热量的计算
2.3.1发酵热
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：
Q发酵=Q生物＋Q搅拌－Q空气－Q辐射
换热面积：
F=Q发酵／VK△tm
发酵热效应
Q热=Qp
V
Q热—发酵热效应，kJ/h；
Qp—发酵热，取17000kJ/m3•h；
V1—发酵液体积，m3；
则Q热=17000×0.7×0.94=1.1×104kJ/h。
2.3.2冷却水用量
单位时间传热量＝发酵热×装料量
由实际情况选用进出口水温为
℃﹑
℃，则：
W=Q/Cp（t2-t1）=1.1×104/4.2（26-18）=327.4kg/h
Q－单位时间传热量
Cp－冷却水的平均比热，取4.2kJ/（kg·℃）
t1－冷却水进口温度
t2—冷却水出口温度
2.3.3冷却器面积计算
F=Q总/K△tm
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：
发酵液温度为30℃
△tm=[（T-t1）-（T-t2）]/In[（T-t1）/（T-t2）]=8/In（17/9）=7.3℃
F=11000/（850×7.3）=1.77m2
2.4搅拌器轴功率计算
2.4.1不通气条件下的轴功率P0
取发酵醪液黏度μ=1.20×10-3N•s/m2，密度一般取800-1650，所以密度在这里取ρ=1100kg/m3，涡轮式搅拌器转速较高，取搅拌转速
=250r/min，则雷诺准数：
Re=
Di2ρ/μ=[（250/60）×0.272×1100]/1.20×10-3=2.78×105
因为Re≥
，所以发酵系统充分湍流状态，即有效功率系数NP=4.7
鲁士顿（RushtonJ.H.）公式：
P0=Np
3
LDi5=4.7×（250/60）3×1100×0.275=0.55（kw）
P0－无通气搅拌输入的功率（W）；
NP－功率准数，是搅拌雷诺数Re的函数；圆盘六弯叶涡轮NP≈4.7；
－涡轮转速（r/min）；
p－液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取800－1650kg/m3；
对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：
Pm=P（0.4+0.6m）=0.55×（0.4+0.6×2）=0.88kw
2.4.2通气搅拌功率Pg的计算
使用黑曲霉3.350发酵生产酸性蛋白酶的时候，前24h前的通风量为0.25vvm，24～48h0.5vvm，48～72h1.0vvm。
装料液=V×0.7=0.94×0.7=0.66
。
前24h的通风量为=0.25×0.66=0.165
/min
24～48h的通风量为=0.5×0.66=0.33
/min
48～72h的通风量为=1.0×0.66=0.66
/min
因为是非牛顿流体，所以用以下公式计算：
Pg=C（Pm2
Di3/Q0.56）0.45
C－系数，
时，取0.157；
－多层搅拌输入的功率（kw）；
－涡轮转速（r/min），取250r/min；
－涡轮直径（m），取0.27m；
Q－通气量（
/min）；则：
前24h：
Pg=C（Pm2
Di3/Q0.56）0.45=0.157（0.882×250×0.273/0.1650.56）0.45=0.45kw
24～48h：
Pg=C（Pm2
Di3/Q0.56）0.45=0.157（0.882×250×0.273/0.330.56）0.45=0.38kw
48～72h：
Pg=C（Pm2
Di3/Q0.56）0.45=0.157（0.882×250×0.273/0.660.56）0.45=0.32kw
2.5接口管的计算
以进料口为例计算，
设发酵醪液流速为v=1m/s，0.5h排尽。
发酵罐装料液体积：
V1=70%V=0.94×0.7=0.658m3
物料体积流量：
Q=V1/0.5h=0.658/（3600×0.5）=0.0003655m3/s
则排料管截面积：
F=Q/v=0.0003655/1=0.0003655m2
又F=0.785d2，得d=0.022m，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰HG20593-97，取公称直径2cm，其他管道也是如此计算。
以进气口为例计算：
设气体流速v=5m/s，发酵罐需要0.3
/min的气体
通气管截面积S=Q/60V=0.001m2
S=π（d/2）2
通气管直径d=0.04m。
三、设备选型
3.1搅拌器的选择
采用平叶圆盘涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，根据d确定h和b的值尺寸，搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大。
查阅文献可知1m3发酵罐采用由江苏科技生物工程设备有限公司生产的平叶圆盘涡轮式搅拌器搅拌叶，叶径Di=0.27m，则可以计算出：
盘径di=0.65Di=0.176m
叶高h=0.3Di=0.08m
叶长b=0.25Di=0.068m
3.2电机及变速装置选用
根据搅拌功率选用电动机时，应考虑传动装置的机械效率。
Ｐg－搅拌轴功率；
ＰＴ－轴封摩擦损失功率，一般为1％Pg；
η－传动机构效率；
根据生产需要选择三角皮带电机，三角皮带的效率是0.92，滚动轴承的效率是0.99，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的1%，则电机的功率。
前24h：
P=（Pg+PT）/η=（1+0.01）0.45/（0.92×0.99×0.98）=0.51kw
24～48h：
P=（Pg+PT）/η=（1+0.01）0.38/（0.92×0.99×0.98）=0.43kw
48～72h：
P=（Pg+PT）/η=（1+0.01）0.32/（0.92×0.99×0.98）=0.36kw
选用由上海弘祥机电有限公司生产的型号为Y802-2电机。
3.3挡板
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。
选用挡板宽度：
B=0.1D=0.1×0.82=0.08m
根据全挡板的计算公式：
B/D=0.4/mb
得挡板块数：
mb=4
3.4管道接口
采用法兰接口
进料口：
直径，2cm，开在封头上；
排料口：
直径，2cm，开在罐底；
进气口：
直径，4cm，开在封头上；
排气口：
直径，4cm，开在封头上；
冷却水进、出口：
直径，2cm，开在罐身；
补料口；直径，2cm，开在封头上；
取样口：
直径，2cm，开在封头上；
3.5仪表接口
温度计：
装配式热电阻温度传感器Pt100型，D＝100mm，开在罐身上；
压力表：
弹簧管压力表（径向型），d1=20mm，精度2.5，型号：
Y-250Z，开在封头上；
液位计：
采用标准：
HG5-1368，型号：
R-61，直径：
Φ550（260×14）mm，开在罐身上；
溶氧探头：
SE-N-DO-F，pH探头：
济南科地仪表科技有限公司生产的PHS-2型。
3.6支座选择
发酵设备常用支座分为卧式支座、耳式支座和立式支座。
其中卧式支座又分为支腿，圈型支座，鞍型支座三种。
立式支座也分为三种即：
悬挂支座，支撑式和裙式支座。
对于1000L发酵罐，由于设备总重量不大，可采用耳式支座。
3.7手孔
手孔的设置是为了安装﹑拆卸﹑清洗和检修设备内部的装置。
本次设计只设置了1个人孔，标准号为：
圆直径30cm，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴5cm处。
视镜用于观察发酵罐内部的情况。
3.8视镜
本次设计只设置了2视镜，标准号为Dg80。
3.9轴封类型的选定
轴封的作用是防止染菌和泄漏，常用的轴封为端面式轴封。
四、附录
附录1计算结果汇总表
项目
结果
单位
发酵罐设计全体积（V0，）
1000
L
发酵罐实际全体积（V0）
1010
L
发酵罐实际公体积（V）
940
L
罐体直径（D）
0.82
m
发酵罐总高（H0）
2.05
m
发酵罐筒体高度（H）
1.64
m
冷却列管厚度（B）
0.08
m
搅拌叶直径（Di）
0.27
m
椭圆封头短半轴长（ha）
0.21
m
底搅拌叶至封头底部高度（C）
0.27
m
搅拌叶间距（S）
0.82
m
筒壁厚度（
）
6
mm
封头厚度（
）
8
mm
手孔规格
圆300
mm
搅拌转速（
）
250
r/min
轴径（r）
40
mm
搅拌器层数
2
mm
排气孔直径
40
mm
进出料口直径
20
mm
罐压（P）
7.6×103
Pa
附录2搅拌功率的设计计算结果表
项目及代号参数及结果备注
转速250r/min根据参考文献选取
不通气条件下的轴功率0.55kw计算
多层搅拌器轴率 0.88kw 计算
通气量 0～1.0vvm 由工艺条件确定
通气搅拌功率 0.32～0.45kw 计算
电机的功率 1kw 计算
传动装置 三角皮带 根据参考文献选取
附录3发酵罐冷却装置设计计算结果
项目及代号
参数及结果
备注
装料系数
70%
由工艺条件确定
装料体积
0.658
计算
装料高度
1.32m
计算
总发酵热
11000kJ/h
计算
冷却水耗量
327.4kg/h
计算
冷却面积
1.77m2
计算
附录4设备选型汇总表
项目
参数
备注
冷却方式
夹套式
由工艺条件确定
搅拌器类型
平叶圆盘涡轮式搅拌器
参考文献[8]
手孔
1个，标准号为圆300mm
视镜
2个，标准号为Dg80
温度计
装配式热电阻温度传感器Pt100型，D＝100mm
压力表
型号：
Y-250Z
液位计
型号：
R-61
溶氧探头
SE-N-DO-F
pH探头
PHS-2型
电机的选择
型号：
Y802-2
参考文献[6]
传动装置
三角皮带
参考文献[6]
附录5查氏培养基
培养基成分含量
NaNO32g
K2HPO41g
KCl0.5g
MgSO40.5g
FeSO40.01g
蔗糖30g
琼脂15g
水1000mL
pH自然
五、总结
本发酵罐采用平叶圆盘涡轮式搅拌器，其每个叶片将形成高速剪切区域，使液体和气体得以分散。
特别适合于液体快速混合，可促进传热、传质和化学反应。
罐体采用夹套式，使用时发酵液的冷却或加热，冷却加热效果好，冷却降温时间短。
罐内设置的挡板，采用4块挡板，利于提高搅拌效率。
我们采用端面式轴封，它具有密封可靠、使用寿命长、摩擦功率耗损小等优点。
且采用的电机功率小、耗能小。
发酵原料采用豆饼粉、玉米等，原料便宜、易得。
由于罐体本身较小只设置一个手孔，罐内附件不易更换，废弃物料不易清理。
设备内部死角较多，消毒灭菌不能够彻底。
发酵过程中需严格控制温度在30℃，发酵罐用的是通水加热冷却法，此方法需要一定的冷却时间，导致发酵液不能保证长时间都控制在30℃。
而且由于各种物性参数不足，有些数据只是采取了经验数值，造成本设计不是十分严谨。
六、参考文献及资料
[1]王彦荣，孟祥春，任连斌．酸性蛋白酶生产与应用的研究[J]．黑龙江：
酿酒，2003，30（3）：
16-18.
[2]罗跃中，李忠英，温拥军，吴永尧．黑曲霉固体发酵产酸性蛋白酶条件优化[J]．湖北：
湖北农业科学，2010，49
（1）：
59-62.
[3]黄方一，叶斌．发酵工程[M]．湖北：
华中大学师范出版社，2008．
[4]申迎华，郝晓刚．化工原理课程设计[M]．北京：
化学工业出版社，2011．
[5]王志魁，刘丽英，刘伟．化工原理[M]．北京：
化学工业出版社，2011．
[6]周希章，周全．常用电动机的选择和应用[M]．机械工业出版社，2007．
[7]贺小贤．生物工艺原理[M]．北京：
化学化工出版社，2007．
[8]王凯等．搅拌设备[M]．北京：
化学工业出版社．2003．
[9]梁世忠．生物工程设备[M]．北京：
化学工业出版社．2009．
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