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1、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 11.1 设计条件 11.2 发酵工艺 11.2.1 发酵工艺图 11.2.2 菌种的选择 21.2.3 菌种培养基的配制 21.3 发酵罐尺寸及整体设计 21.4 补料系统的设计 2二、计算 32.1 发酵罐圆筒壁厚的计算 32.2 通风量的计算 32.3 传热量的计算 32.3.1 发酵热 32.3.2 冷却水用量 42.3.3 冷却器面积计算 42.4 搅拌器轴

2、功率计算 42.4.1 不通气条件下的轴功率P0 42.4.2 通气搅拌功率Pg的计算 42.5 接口管的计算 5三、设备选型 63.1 搅拌器的选择 63.2 电机及变速装置选用 63.3 挡板 63.4 管道接口 63.5 仪表接口 73.6 支座选择 73.7 手孔 73.8 视镜 73.9 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

3、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

4、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V，=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V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=VbV0 = VC +2 VbVC = (/4) D2 HVb=，可近似Vb=(/24) D3V0 = (/4) D2 H + 2(/24)D3 =(7/12)D3代入V0 =1 即可求得D0.82m发酵罐实际体积V

5、0 =(7/12)D3=1010Lha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=1.641.4 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：at137MPa。计算发酵设备圆筒壁厚的一些参数如下：计算壁厚： =PD/ (230at-P ) + C 式中：计算壁厚mm；P计

6、算压力，本实验压力在7.6103 Pa=760MPa；Di内径，82mm；at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CC腐蚀量(每年腐蚀的量)，C取3mm=PD/ (230at-P ) + C =(76082)/(2300.8137-760) + 3=5.556mm2.2 通风量的计算前24h前的通风量为=0.250.66=0.165/min通风管口直径为40mm，截面积S=（d/2）2 =3.1410-4m2通风速度V=通风量Q/截面积S=0.165/(3.14410-460)=2.2 (m/s)2448h的通风量为=0.50.66=0.

7、33/minV= Q/S=0.33/(3.14410-460)=4.4 (m/s)4872h的通风量为=1.00.66=0.66/minV= Q/S=0.33/(3.14410-460)=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VKtm发酵热效应Q热= Q pVQ热发酵热效应，kJ/h；Q p发酵热，取17000kJ/m3h；V1发酵液体积，m3；则 Q热= 1

8、70000.70.94=1.1104kJ/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)=1.1104/4.2 (26-18)=327.4kg/hQ单位时间传热量Cp冷却水的平均比热，取4.2 kJ/ (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/KtmQ发酵热效应，kJ/h夹套的传热系数通常为6301050 kJ/(m2h)，取传热系数K为850 kJ/(m2h)。tm对数平均温差：发酵液温度为30tm=(T-t1)-(T-t2)/In(T-t1)/(T-t2)=8/In（17/9)=7.3

9、F=11000/(8507.3)=1.77m22.4 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=1.2010-3Ns/m2，密度一般取800-1650，所以密度在这里取=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=Di2/=（250/60）0.2721100/1.2010-3=2.78105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(Rushton J. H.)公式：P0=Np3LDi5=4.7(250/60)311000.275=0.55(kw)P0无通气搅拌输入的功率（W）；NP功率准数，是搅

10、拌雷诺数Re的函数；圆盘六弯叶涡轮 NP4.7；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8001650 kg/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+0.62)=0.88kw2.4.2 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，2448h 0.5vvm，4872h 1.0vvm。装料液=V0.7=0.940.7=0.66。前24h的通风量为=0.250.66=0.165/min2448h的通风量为=0.50.66=0.33/min4872h的通风量为

11、=1.00.66=0.66/min因为是非牛顿流体，所以用以下公式计算：Pg=C(Pm2Di3/Q0.56)0.45C系数， 时，取0.157；多层搅拌输入的功率（kw）；涡轮转速（r/min），取250 r/min；涡轮直径（m），取0.27m；Q通气量（/min）；则：前24h：Pg=C(Pm2Di3/Q0.56)0.45=0.157(0.8822500.273/0.1650.56)0.45=0.45kw2448h：Pg=C(Pm2Di3/Q0.56)0.45=0.157(0.8822500.273/0.330.56)0.45=0.38kw4872h ：Pg=C(Pm2Di3/Q0.56)

12、0.45=0.157(0.8822500.273/0.660.56)0.45=0.32kw2.5 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=0.940.7=0.658m3物料体积流量：Q=V1/0.5h=0.658/(36000.5)=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/

13、min的气体通气管截面积S=Q/60V=0.001 m2S=（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=0.65 Di=0.176m叶高h=0.3 Di =0.08m叶长b=0.25 Di=0.068m3.2 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。g搅拌轴功率；轴封摩擦损失功率，一般

14、为1Pg；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 )/=(1+0.01) 0.45/(0.920.990.98)=0.51kw2448h：P=(Pg + PT )/=(1+0.01) 0.38/(0.920.990.98)=0.43kw4872h：P=(Pg + PT )/=(1+0.01) 0.32 /(0.920.990.98)=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

15、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=0.10.82=0.08m根据全挡板的计算公式：B/D=0.4/mb 得挡板块数：m b=43.4 管道接口采用法兰接口进料口：直径，2 cm，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Pt1

16、00型，D100mm，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：550(26014)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

17、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，)1000L发酵罐实际全体积(V0)1010L发酵罐实际公体积(V)940L罐体直径(D)0.82m发酵罐总高(H0)2.05m发酵罐筒体高度(H)1.64m冷却列管厚度(B)0.08m搅拌叶直径(Di)0.27m椭圆封头短半轴长(ha)0.21m底搅拌叶至封头底部高度(C)0.27m搅

18、拌叶间距(S)0.82m筒壁厚度（）6mm封头厚度（）8mm手孔规格圆300mm搅拌转速（）250r/min轴径(r)40mm搅拌器层数2mm排气孔直径40mm进出料口直径20mm罐压(P)7.6103Pa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01.0vvm 由工艺条件确定通气搅拌功率0.320.45kw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0.6

19、58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300 mm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，D100mm压力表型号：Y-250Z液位计型号：R-61溶氧探头SE-N-DO-FpH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NaNO3 2g K2HPO4 1g KCl 0.5g MgSO4 0.5g Fe

20、SO4 0.01g 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

21、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，20084 申迎华，郝晓刚化工原理课程设计M北京：化学工业出版社，20115 王志魁，刘丽英，刘伟化工原理M北京：化学工业出版社，20116 周希章，周全常用电动机的选择和应用M机械工业出版社，20077 贺小贤生物工艺原理M北京：化学化工出版社，20078 王凯等搅拌设备M北京：化学工业出版社20039 梁世忠生物工程设备M北京：化学工业出版社2009