苏氨酸发酵设计.docx
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苏氨酸发酵设计
-、设计方案
天然存在的L-苏氨酸为无色或微黄色晶体，无臭、微甜，可溶于水,20°C时溶解度为9g/100niL,难溶于乙醇、乙醍、氯仿等有机溶剂，熔点为253〜257°CoL-苏氨酸的解离常数为pKCOOH=2.15,pKNH2=9.12,等电点pl（25°C）=5.64。
目前，L-苏氨酸的制备方法主要有生物合成法、化学合成法和蛋白质水解法三种。
然而，在工业化生产中，化学合成法和蛋白质水解法由于存在一些缺陷己经基本不被使用。
生物合成法则因生产成本低、资源节约、环境污染小等优点逐渐成为工业化生产L-苏氨酸的主要方式。
生物合成法包括直接发酵法和酶转化法两种。
微生物发酵法生产苏氨酸是目前生产苏氨酸的主要方法。
采用基因工程菌进行发酵法生产，产酸可达100g/L以上。
目前国内外己经利用微生物发酵法批量生产苏氨酸。
1.1设计条件
（1）650L苏氨酸发酵罐，分批发酵；
（2）主发酵罐的尺寸及附件的设计；
重结晶
溶解脫色
粗母液
粗晶体
结晶分离
1.2发酵工艺
发酵法生产L-苏氨酸，通常采用短杆菌属细菌的旷氨基-卩-羟基戊酸（AHV）和S-（2-氨基乙基）-L-半胱氨酸（AEC）双重抗性变异。
►浓缩
发酵液
结晶分离
精母液
干燥
包装
检验
图一苏氨酸发酵工艺流程
1.3.发酵罐尺寸及整体设计
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V不能过大，一般取装料系数为0.6〜0.75o
取装料系数％为0.6，则发酵罐需装料体积为：
Uo=Ux〃o=650x0.6=390厶
发酵罐尺寸确定
发酵罐体部分的尺寸有一定的比例，罐的高度与直径之比一般为1.7〜4倍左右。
1.3.1确定发酵罐直径和高度
标准式发酵罐的筒体高度和直径比：
H/D约为1.7〜4
发酵罐的容量一般指圆筒体的体积加椭圆形底的体积。
Vo=Vc+2Vb
Vc=（ti/4）D2Ho
Vb=（7T/4）D2（hb+2/31ia）^l.5D3式中：
Vo—发酵罐全容量，
Vc—圆柱部分体积，nf；
Vb—椭圆底体积，nf；
Ho—圆柱部分高度，m.
因此：
Vo=Vc+Vb=（tt/4）D2[Ho+2（hb+l/6D）]
取Ho.D=2
Vo=（7ti/12）D3+（27i/4）D2hb
可知：
D=0.69m,椭圆短半轴长度：
ha=0.25D=0.25x0.69=0.1725
可知：
D=0.69m
则有：
H0=2D=1.38mD’=l/3D=0.23mS=3D=3x0.23=0.69mC=D】=0.23m
B=0.1D=0.1x0.69=0.069mha=0.25D=0.25x0.69=0.173m
不同设备的厚度不同，hb可取30mm、40mm、50mm。
根据我们的发酵设备。
取lib=64nmio
h=d十hb=0.173+0.64=0.237m
则罐体高H=1.854m
1.3.2发酵罐圆筒壁厚的计算
式中，P——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，P=0.4MPa
D—发酵罐内径，D=69cm
[o]—A3钢的许用应力，[o]=170MPa
（p焊缝系数，双面焊对接接头：
100%无损检测：
（p=1.00；局部检测：
（p=0.85
单面焊对接接头:
:
100%无损检测：
＜p=0.9；局部检测：
（p=0.8对于受压缩应力的原件：
＜p=10
在此设计中，取（p=0.8.
C=3mm
得Si=13.16nmi
1.3.3封头壁厚计算：
标准椭圆封头的厚度计算公式如下:
“P5+c
2（b）[①卜P
式中，y——开孔系数，取2.3得S2=26.37111111
圆筒壁厚：
Si=27nmi
椭圆封头壁厚：
S2=14mm
许用压力：
[P]=170MPa。
1.4手孔的设计
手孔的设计，参考《中华人民共和国机械行业标准锅炉手孔装置》，选择实际的尺寸，手孔选择为D80x94—85JB/T2191。
二、计算
2.1通风量计算
通风管的管径计算：
该罐实装液量0.39m3,设O.lh内排空，则物料体积流量
0390=——=0.00108
3600x0.1发酵液流速取V=lnVs
■2212?
=0.037m
0.785
支气管气速为20m/s
则排料管截面积为F物〃==22晋=0.00108m2
F物=0.785/2,则管径〃=0785
若按通风管计算，压缩空气在0.4MPa下,通风比0・2wm
20°C,O.IMPa下，Q=0.39x0.2=0.078m3/nun=0.0013m3/s
计算到0.4MPa,37°C状态下,
（\I073-i-^7q
取风速v=20nVs,则风管截面积Ff为:
=哙生o.oooo]71能
fV20
耳=0・785d：
贝I」气管直径d气为：
/0.00001719n如。
d/T==0.00468in
、V0.785
因通风管也是排料管，故取两者的大值，取排料管径
排料时间复核：
物料流量Q=0.00108m3/s,流速v=lnVs,
管道截面积F=0.785x0.0372=0.001075m2
在相同流速下，流过物料因管径较原來计算结果小，
则相应流速比为P=早=°豐岁8|=1-0047倍，
FV0.001075x1
排料时间t=0.1xl.0047=0.10047ho
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釆用夹套为传热装置，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：
。
发酵=。
生物+Q搅拌-Q空气-。
辐射
换热面积
发酵热效应：
0总=0发酵xU液
Q则一发酵热，3X104kJ/h.m3（L■苏氨酸）
V液一发酵液体积，m»
则Q»=3xl04x（0.65x0.6）=1.17xl04kJ/ho
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，釆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。
C—冷却水的比热容，4.18kJ/（kg.K）
冬季：
釆用循环水进口水温15°C,出口水温20°C；
夏季：
釆用冰水进口水温10°C,出口水温20°Co
冬季冷却用循环水用量计算：
（取裕量系数1.2）
=0.67吨/小时
发热效应xl.2
比热x（循环水出口温度-循环水入口温度）
取1吨/小时
夏季冷却用循环水用量计算：
W2=0.336吨/小时
取0.5吨/小时
2.2.2冷却器面积计算
Q总一发酵热效应,kJ/h；
夹套的传热系数通常为630-1050kJ/（nrlr°C）,取传热系数K为850kJ/（m2-h°C）o△如一对数平均温差：
Atm=
（tr-tl）-（tr-t2）
tr-t2
=19.39oC
11700
850x19.39
=0.71m-
三、设备选型
3.1搅拌器的选择
机械搅拌通风发酵管的搅拌涡轮有三种形式，可根据发酵特点、基质以及菌体特
性选用。
本次试验选用六弯叶涡轮搅拌器。
六弯叶涡轮搅拌器：
搅拌器叶径D严D/3=0.69/3=0.23m取转轴直径d=0.04m
叶宽B=0.2D’=0.2x0.23=0.046m
弧长l=0.375d=0.375x0.04=0.015m
底距C=D1=0.23m
盘径dl0.75xD[=0.75x0.23=0.1725m
叶弦长L=0.25D1=0.25x0.23=0.0575m
搅拌器叶距S=D=0.69m
弯叶板厚8=1211U11
搅拌转速N、可根据50m^<,搅拌器直径1.05m,转速N^llOr/mm,以等P°/VD-105-
为基准放大求得：
N、=N】（一=110x（竺户=303（r/min）
-D20.23
搅拌轴功率的计算~
通风搅拌发酵罐，搅拌轴功率的计算有许多种方法，现用修正的迈凯尔式求搅拌轴功率，并由此选择电机。
D—搅拌器直径，D=0.23m
3.1.1计算出口
式中
N—-搅拌器转速，N=303i7min
P—醪液密度，p=1080kg/m3
M—醪液粘度，卩=2310汩5血
将数代入上式：
R"=D弘=0.23-x303x1080=&66x10?
>]0“jli2.0x103
视为湍流
3.1.2计算不通气时的搅拌轴功率
P。
，=NpN3D5p
式中Np—在湍流搅拌状态时其值为常数4.7
N—搅拌转速，N=303r/min
D=0.23m,p=1080kg/m3
代入上式，得：
Po'=4.7x5.053x0.235x1080=0.42kW
3.1.3计算通风时的轴功率P”
P严2.25x10-3x（号霁严（kW）
式中，P°—不通风时轴功率（kW）,Po=O.42kW
Q—通风量（mL/mm）,取通风比为0.2,则
Q=0.2x390xl06=7.8xl07niL/nuii
Q008=4.28
-3（P（）ND3039XVqQ.OS）0.42禎303乂233
（4^28
=0.24kW
334求电机功率P电：
P
P电二一xl.01
巾03
釆用三角带传动Hi=0.92，滚动轴承i]2=0.99,滚动轴承n3=0.98，端面密封
增加的功率为1%,代入公式得
P电二一xl.01
巾03
0.24
=0・27kW
查阅相关文献型号HYGR/380-JBQ搅拌器符合要求。
3.2换热器的选择
对于容积小于51疋的发酵罐，为了便于清洗，多使用夹套为传热装置。
根据实际装料液体积高度1280mm,我们设计的夹套高度略高之50-100nmi,取高度为1330mm。
夹套厚度计算：
查找相关文献可知，直径在500-600nmi之间的，在直径基础上加50nun.此发酵罐直径230mm,小于500mm,所以取30,筒体直径为230mm时候夹套的直径Dj为260nmi
选取硬质聚氨酯保温材料，它具有优异的物化性能，其中包括低的热导热、材质分布均匀、高的抗压性能、防水性能好、绝热保冷性好等优点。
同时聚氨酯硬质材料能够承受因温度、湿度变化而产生的巨大应力变化，起到好的保温效果。
其实际应用温度承受最高温为120°C,使用其为泡沫塑料或者喷涂料进行保温施工，罐外温度较低时可以阻止罐内热能外失，罐外温度偏高时可以防止罐内温度升高，从而有利于反应罐内温度的相对恒定。
四、附录及图纸
附录1发酵罐罐体基本尺寸
项目
结果
单位
罐体高H
1854
nun
罐体直径D
690
nun
搅拌器叶径D
230
nun
椭圆短半轴lh
173
nun
椭圆封头的直边lib
64
nun
封头高度
237
nun
封头壁厚
27
nun
挡板宽度
69
nun
气管直径血
37
nun
发酵罐壁厚
14
nun
夹套高度Hi
1330
nun
夹套壁厚
14
nun
附录2发酵罐体系数
项目
结果
单位
发酵罐容积Vo
650
L
装料容积Vi
390
L
装料系数no
0.6
A3钢的许应力[o]
170
MPa
焊缝系数①
0.8
附录3传热系统
项目
结果
单位
全发酵热
1.17X104
kJ/h
发酵热
3xl04
kJ/li-n?
夏季循环用水量W?
0.336
t/li
冬季循环用水量Wi
0.67
t/h
冷却器的面积F
0.71
m2
附录4搅拌器尺寸
项目
结果
单位
风管截面积F
0.1719x10-4
nr
排料管径
0.037
m
气管直径d气
0.00468
m
物料流量Q
0.00108
m3/h
排料时间t
0.10047
h
不通气时的搅拌功率P。
0.42
kW
通风时的搅拌功率Pg
0.42
kW
电机功率P电
0.27
kW
五、总结
搅拌通风发酵罐的设计需要综合各种参数，是有计划、有目的，由所需设计的发酵罐的体积，一步一步计算而來。
有冷却介质的进出口温度及发酵过程中传热量得出传热面积。
关于传热面积，最难确定的是传热系数，它的确定需要需要取决于发酵液的物性、蛇管的传热性能及管壁厚度。
我们查了很多关于传热系数的计算的资料，很遗憾，由于各种物性参数的不足，我们只能取经验数值。
由所得的传热面积便可根据公式根据己知的各种参数，求出夹套厚度，高度。
并且同样要将搅拌器的各种参数计算好，比如搅拌器的功率、叶径、转速、同挡板的距离等。
这些参数相互之间都有联系，根据设计所规定的比例标准可以计算出。
最后根据发酵罐的容积及压力，对壁厚进行设计，并圆整，然后根据罐的直径计算封头的直径及壁厚。
整个设计过程中，我们小组的成员们查了很多相关资料，力求我们的设计能满足工艺要求，对每一个数字的得出及圆整，我们都经过多次反复计算及资料核查。
尽管如此,我想我们的设计中仍会不可避免地出项一些疏漏，限于所学知识及实践能力的缺乏，或许我们现在还无法觉察，所以相信老师在看了我们小组的设计之后，定会给我们一些建议，以便我们更加了解发酵罐的设计。
很高兴能尽自己的微薄之力，同小组成员们一起完成这次设计，不仅巩固了设备设计方面的专业知识，还深刻感受到任何一个投入到生产中的设备的设计只靠所学的一点设计知识是远远不够的，我不仅需要扩展自己的视野，填充专业知识，还要好好利用学校组织的实践教学，尽量弥补实践方面的不足。
同时我也感受到集体力量在设计过程中的作用，当我对某个环节感到迷茫时，因为小组的讨论，茅塞顿开。
这次设计，我真的从中领悟到“讨论”的重要性。
六、参考文献及资料
[1]伦世仪.生化工程[M].北京：
中国轻工业出版社,2008.
⑵黄方一，叶斌，彭珍荣.发酵工程[M].武汉:
华中师范大学出版社,2008.
[3]科技传播,2010.
[4]冯烁丄-苏氨酸的生产工艺，广东饲料,2010.
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