苏氨酸发酵设计.docx

1、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,20C时溶解度 为9g/100niL,难溶于乙醇、乙醍、氯仿等有机溶剂，熔点为253257Co L-苏氨酸的 解离常数为pKCOOH=2.15, pKNH2=9.12,等电点pl （25C） =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

2、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

3、.60.75o取装料系数为0.6，则发酵罐需装料体积为：Uo = Uxo = 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1.74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1.74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+2 VbVc=(ti/4) D2 HoVb =(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) D2Ho+2(hb+l/6

4、D)取 Ho. D = 2Vo = (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=1.38m D=l/3D=0.23 m S=3D=3x0.23=0.69m C=D】=0.23 mB=0.1D=0.1x0.69=0.069 m ha=0.25D=0.25x0.69=0.173 m不同设备的厚度不同，hb可取30mm、40mm、50 mm。根据我们的发酵设备。取 lib=64nmioh=d 十 hb =0.173+0.64=0.237 m则罐体高H=1.854m1.3.2

5、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=0.4MPaD发酵罐内径，D=69cmoA3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=13.16nmi1.3.3封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下:“ P5 +c2（b）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

6、：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D 80x9485 JB/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0 39 0 = = 0.001083600x0.1 发酵液流速取V=lnVs2212? = 0.037m0.785支气管气速为20m/s则排料管截面积为F物 = 22晋 =0.00108m2F物= 0.785/2,则管径=0 785若按通风管计算，压缩空气在0.4MPa下, 通风比02wm20C, O.IMPa 下，Q=0.39x0.2=

7、0.078m3 / nun = 0.0013m3 /s计算到0.4MPa, 37C状态下,( I 073 -i- 7 q取风速v=20nVs,则风管截面积Ff为:=哙生o.oooo71 能f V 20耳=0785d：,贝I气管直径d气为：, /0.00001719 n 如。d/T = = 0.00468 in、V 0.785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

8、倍，FV 0.001075x1排料时间 t=0.1xl.0047=0.10047ho2.2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，3X104 kJ/h.m3 (L苏氨酸)V液一发酵液体积，m则 Q=3xl04x (0.65x0.6)=1.17xl04kJ/ho2.2.1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

9、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15C,出口水温20C；夏季：釆用冰水进口水温10C,出口水温20Co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630-1050 kJ/(nr lrC),取传热系数K为850 kJ/(m2-h C)o 如一对数平均温差：Atm =(tr-tl)-(tr-t2)tr-t2=19.39 o

10、C11700850x19.39=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=0.2 D=0.2x0.23=0.046m弧长 l=0.375d=0.375x0.04=0.015m底距 C=D1=0.23m盘径 d l0.75xD =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

11、根据50m0“ jli 2.0 x 10 3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4.7N 搅拌转速，N=303r/minD=0.23m, p= 1080kg/m3代入上式，得：Po =4.7x 5.053 x0.235 x 1080 = 0.42kW3.1.3计算通风时的轴功率P”P严 2.25x10-3 x（号霁严（kW）式中， P不通风时轴功率（kW）, Po=O.42kWQ通风量(mL/mm),取通风比为0.2,则Q=0.2x390xl06=7.8xl0 7niL/nuiiQ008 =4.28-3(P()ND3 0 39

12、 X V qQ.OS) 0.42禎303乂233( 428=0.24kW334求电机功率P电：PP 电二一 xl.01巾03釆用三角带传动Hi =0.92，滚动轴承i2=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030.24=027kW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

13、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120C,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H1854n

14、un罐体直径D690nun搅拌器叶径D230nun椭圆短半轴lh173nun椭圆封头的直边lib64nun封头高度237nun封头壁厚27nun挡板宽度69nun气管直径血37nun发酵罐壁厚14nun夹套高度Hi1330nun夹套壁厚14nun附录2发酵罐体系数项目结果单位发酵罐容积Vo650L装料容积Vi390L装料系数no0.6A3钢的许应力o170MPa焊缝系数0.8附录3传热系统项目结果单位全发酵热1.17X104kJ/h发酵热3xl04kJ/li-n?夏季循环用水量W?0.336t/li冬季循环用水量Wi0.67t/h冷却器的面积F0.71m2附录4搅拌器尺寸项目结果单位风管截面积

15、F0.1719x10-4nr排料管径0.037m气管直径d气0.00468m物料流量Q0.00108m3/h排料时间t0.10047h不通气时的搅拌功率P。0.42kW通风时的搅拌功率Pg0.42kW电机功率P电0.27kW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

16、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

17、 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.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.