年产20吨硫酸庆大霉素发酵罐设计

1 前言

生物反应工程与设备课程设计是生物工程专业一个重要的、综合性的实践教学环节，要求综合运用所学知识如生化反应工程与生物工程设备课程来解决生化工程实际问题，对培养我们全面的理论知识与工程素养，健全合理的知识结构具有重要作用。发酵罐是发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏，是连接原料和产物的桥梁。随着工业技术的发展，市面上出现了种类繁多、功能更加完备的新型发酵罐。如何选择或者设计一种合适的发酵罐将会成为一个研究热点。本文旨在通过相应的参数计算和设备计算完成年产20吨庆大霉素的机械通风发酵罐初步设计。

2 常见的发酵罐

2.1机械搅拌通风发酵罐

机械搅拌发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需的氧气,又称通用式发酵罐。可用于啤酒发酵、白酒发酵、柠檬酸发酵、生物发酵等。

图1 机械通风发酵罐

2.2气升式发酵罐

气升式发酵罐把无菌空气通过喷嘴

喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡打碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而含气率小的发酵液下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。其结构简单、不易染菌、溶氧效率高和耗能低，主要类型有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。

图2 气升式发酵罐原理图

2.3自吸式发酵罐

自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，由导气管吸入罐外空气。吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。

与机械发酵罐相比，有一个特殊的搅拌器，但没有通气管。罐为负压，易染菌，当转速较大时，会打碎丝状菌。

图3 自吸式发酵罐

1

3 已知工艺条件

（1）年产量：G=20 t（庆大霉素） （2）年工作日：M=300天 （3）发酵周期：t=6天

（4）发酵平均单位：μm=1400单位/毫升

（5）成品效价：μp=580单位/毫克 （6）提炼总效率：ηp=87%

（7）每年按300天计算，每天24小时连续运行。

（8）装料系数：Φ=75%

4 工艺计算

4.1 由年产量决定每天放罐发酵液体积

Vd V1000G?pd?

M?m?p ?1000?20?580300?1400?87%

?31.75m3d

4.2 发酵罐公称容积V0和台数的确定 VVd0?n?=31.751?0.75=42.4m3 d?按照国内发酵罐系列取V30?50m

nd：每天放罐系数，取nd=1罐；

?：发酵罐装料系数，?=75%； 发酵罐总台数n=nd?发酵周期 n=1?6=6(台）

发酵周期=每罐批发酵时间+辅助时间 辅助时间=进料时间+灭菌操作时间+移种时间+放罐压料时间+清洗检修时间 4.3 发酵罐实际产量 5042.4?20?23.58吨年

23.58?1000300?78.6千克年，台

4.4 每吨产品需要的发酵液量 50?0.750.0786?477.10m3/t

4.5 机械通风发酵罐的高度和直径

D?1.2时，一般使用HD?1.75—2D?1.2时，HD?2—3

确定发酵罐的高度和直径：

设发酵罐的圆筒体积为V筒，封底体积为V底 V0=V筒+V底 V?0=

4D2H?2?24D3 取H=1.95D 即3.144?1.95D3?3.14?224D3?50m

D=3.1m H=6.0m

其中，D为发酵罐公称直径，H是发酵罐圆筒高。

4.6机械发酵罐壁厚的计算

4.6.1计算法确定发酵罐的壁厚S1

S1?PD2【?】??P?C（cm）

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=310cm 【σ】—A3钢的许用应力，【σ】=127Mpa φ焊缝系数，取φ=0.7 C—壁厚附加量C?C1?C2?C3

C1—钢板负偏差，取C1?0.8mm C2—为腐蚀欲量，取C2=2mm

C3—加工减薄量，取C3=0，代入上式得 C?C1?C2?C3?0.8?2?0?0.28mm

2

S0.4?3101?2?127?0.7?0.4?0.28?0.98cm

4.6.2封头壁厚计算

hb-椭圆封头的直边高度m，

取hb=0.05m ha-椭圆封头短半轴长度，

h=1a4D?0.77

标准椭圆封头的厚度计算公式如下：

SPD2?2【?】??P?C（cm）

式中，P=0.4Mpa，D=310cm，【σ】=127Mpa

C1=0.08cm，C2=0.2cm，C3=0.1cm

C?C1?C2?C3?0.38cm，?=0.7

代入上式，得 :

S?0.4?31022?127?0.7?0.4?0.38?1.07cm

查钢材手册圆整为S2=12mm。

4.7 发酵罐搅拌装置计算和轴功率计算 4.7.1 搅拌装置

发酵罐的搅拌器一般都采用圆盘的涡轮搅拌器，搅拌叶的形式有平叶、弯叶、箭叶三种，其外形见下图：

图4 三种常用涡轮搅拌器 搅拌叶形式的选择是发酵罐设计中的一个关键。本次设计，由于庆大霉素发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。

该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系，现将主要尺寸列出： 搅拌器叶径di=D/3=3.1/3=1.03m 取di=1.m

挡板宽 B=0.1 di=0.1×1=0.1m

底距 C=di=1.0m 搅拌叶间距 S=D=3.1m 弯叶板厚 δ=12mm

4.7.2 搅拌轴功率的计算

4.7.2.1 不通风情况的搅拌轴功率 不通风情况的搅拌轴功率随着液体的性质、搅拌器的形式、罐的结构尺寸的不同而不同。经过大量实验可得功率准数（Np）和搅拌雷诺指数（Re）之间的函数关系：

Np=f(Re)=

p?n3D5 -------------① iP=N3p?nD5i

其中：p：搅拌功率（公斤?米秒）（1千瓦=102公斤?米秒） n：搅拌器转速（转秒）

Di：搅拌器直径（米）

?：液体密度（公斤/m3）

3

由化工原理可知：R4e?10 湍流 Re?10 滞流

10?Re?1010 过渡流

图5 Np?Re曲线

上式公式①只适用于湍流和滞留，过渡流时Np不是一个常数，必须从

Np?Re曲线查询。

当Re?104，属于湍流区。此时的流体（见图5）称为牛顿型流体，由上图实验得出的曲线来看，该区Np不随Re的增加而增加，基本上趋于水平线，也就是说Np为一常数。

六平叶涡轮浆 Np=6.0 六弯叶涡轮浆 Np=4.7 六箭叶涡轮浆 Np=3.7

工作状态时，通常发酵罐内发酵液都需要处于湍流状态，因此使用Np?Re曲线图，线图计算无通气时的搅拌率比较方便，算出Re，并查的Np值，则搅拌功率即可由下式计算（生物工厂设计）

p?N3p???N?D5i上式是根据HD?3,DDi?3 WD?0.1,BDi?1若不符合上述条件，可用下面公式校正：

PDi)实?（DDi)(H3?3?P

功率计算：

已知n=170转/分 （工厂提供数据）

Di?1.03米,一般Di/D?12-13，本设计取13??rg?10509.81?107公斤?秒2/米4（r?1.05吨米3，工厂测定数据）

Np=4.7 由公式

107?1703P?4.7?5603?1.03 ?13260.52kgm/s ?110.5kW校正得：

P（3.11.03）(61.03)实?3?3?110.5 ?154.3kW4

根据一般搅拌器之间的距离S=1.5-2.5Di 搅拌器个数=发酵罐筒体高度搅拌器间距

=

62?1.03

=2.9个 取3个 一般，三个 …… 此处隐藏：2236字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……