色氨酸發(fā)酵設(shè)計(jì)

1、江西科技師范學(xué)院發(fā)酵工程課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū) 專(zhuān)業(yè)： 生物工程 班級(jí)： 2007級(jí)1班 姓名： 王斌 歐清禮 龐勝 設(shè)計(jì)題目： 色氨酸發(fā)酵工藝設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師： 常軍 博士 2010年11月22日題目：色氨酸發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)條件：年產(chǎn)量100噸要求：（1）分批發(fā)酵生產(chǎn)；（2）主發(fā)酵罐的尺寸及附件的設(shè)計(jì)；前言L-色氨酸是含有吲哚基的中性芳香族氨基酸,為白色或略帶黃色葉片狀結(jié)晶或粉末，在水中溶解度1014 g（25），溶于稀酸或稀堿，在堿液中較穩(wěn)定，強(qiáng)酸中分解。微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。它是人體和動(dòng)物生命活動(dòng)中必需氨基酸之一，對(duì)人和動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝起著重要作用，被稱(chēng)為第二必需氨基酸，在生物體內(nèi)，從

2、L-色氨酸出發(fā)可以合成5-羥基色胺的激素以及色素、生物堿、輔酶、植物激素等生理活性物質(zhì)，可以預(yù)防和治療糙皮病，同時(shí)具有消除精神緊張、改善睡眠等功效。另外，由于色氨酸是一些植物蛋白中比較缺乏的氨基酸，用他強(qiáng)化食品和做飼料添加劑對(duì)提高植物蛋白質(zhì)的利用率具有重要的作業(yè)，它是繼蛋氨酸和賴(lài)氨酸之后的第三大飼料添加氨基酸。1目前世界L-色氨酸的年產(chǎn)約為10000多噸，市場(chǎng)增長(zhǎng)率超過(guò)10%，作為飼料添加劑使用的色氨酸有數(shù)百?lài)?，中?guó)主要是高價(jià)格限制了她的應(yīng)用。世界上主要生產(chǎn)廠家是日本的昭和電工、協(xié)和發(fā)酵和三井化學(xué)公司采用發(fā)酵方法生產(chǎn)色氨酸，贏創(chuàng)德固賽則兼有發(fā)酵法和合成法生產(chǎn)色氨酸。2L-色氨酸的最早生產(chǎn)是靠化

3、學(xué)合成法和蛋白質(zhì)水解法，隨著對(duì)微生物法生產(chǎn)L-色氨酸研究的不斷深入，這種方法已經(jīng)處于主導(dǎo)地位。微生物法大體上可以分為直接發(fā)酵法、微生物轉(zhuǎn)化法和酶法。目錄1概述11.1色氨酸發(fā)酵工藝流程11.2色氨酸發(fā)酵菌種11.3發(fā)酵過(guò)程中的代謝參數(shù)11.3.1 物理參數(shù)11.3.2 化學(xué)參數(shù)31.3.3 生物參數(shù)4發(fā)酵終點(diǎn)的判斷5發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)控制51.4 培養(yǎng)基配方的確定5種子罐培養(yǎng)基配方5發(fā)酵罐培養(yǎng)基配方6培養(yǎng)基的滅菌62發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備72.1發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)形式7物料衡算：7罐的幾何尺寸7通氣和攪拌92.1.4 攪拌器選型和攪拌功率計(jì)算10擋板數(shù)11傳熱11空氣處理系統(tǒng)12空氣的預(yù)處理12管道及閥門(mén)1

4、3蒸汽及空氣用量143部分符號(hào)說(shuō)明14總結(jié)25參考文獻(xiàn)31概述1.1色氨酸發(fā)酵工藝流程色氨酸生產(chǎn)菌的選育一般是以大腸桿菌、黃色短桿菌、谷氨酸桿菌等作為出發(fā)菌株，通過(guò)基因操作定向改造生物合成途徑的正常調(diào)節(jié)。表1 色氨酸發(fā)酵工藝流程圖發(fā)酵液 板框過(guò)濾濾液 樹(shù)脂吸附與解析解析液 納濾濃縮濃縮液 洗滌洗滌液   活性炭脫色脫色液 噴霧干燥精粉1.2色氨酸發(fā)酵菌種本設(shè)計(jì)選用E.coli 基因工程菌，其發(fā)酵單位為25 g/L1.3發(fā)酵過(guò)程中的代謝參數(shù) 物理參數(shù).1溫度對(duì)發(fā)酵的影響及調(diào)控大腸桿菌的最適生長(zhǎng)溫度為37，溫度過(guò)高，會(huì)影響產(chǎn)物表達(dá)和乙酸等副產(chǎn)物的生產(chǎn)，同時(shí)，在基因工程菌高密度培養(yǎng)過(guò)程中，

5、溫度的變化還與質(zhì)?？截悢?shù)的變化有關(guān)。在發(fā)酵前期，色氨酸的濃度隨著細(xì)胞的生長(zhǎng)而逐漸提高，但進(jìn)入生長(zhǎng)穩(wěn)定期后，影響色氨酸合成因素除了細(xì)胞生物量外，還有質(zhì)粒的穩(wěn)定性。當(dāng)溫度為32時(shí)，產(chǎn)酸水平達(dá)到最大值，過(guò)低或過(guò)高的溫度均不利于色氨酸的合成；36時(shí)雖然獲得了最高的菌體量，但產(chǎn)酸卻不是最高，質(zhì)粒丟失比較嚴(yán)重；28時(shí)，質(zhì)?；静粫?huì)丟失，但過(guò)低的溫度使菌體生長(zhǎng)緩慢，產(chǎn)酸下降。因此，在本次設(shè)計(jì)中，色氨酸發(fā)酵過(guò)程中溫度控制策略為：016h發(fā)酵溫度為30，16h后緩慢升溫至36，升溫方式為每小時(shí)0.5，利用發(fā)酵罐的溫度順控模式進(jìn)行自動(dòng)控制。表2 色氨酸發(fā)酵過(guò)程中的溫度順序控制表時(shí)間（h）溫度（）時(shí)間（h）溫度（）

6、時(shí)間（h）溫度（）0302232.527351830.523332635.519312433.529362031.52534453621322634.5.2泡沫對(duì)發(fā)酵的影響及調(diào)控發(fā)酵過(guò)程中因通氣攪拌和代謝產(chǎn)生的氣體是產(chǎn)生泡沫的原因。產(chǎn)生少量泡沫是正常的，但是泡沫產(chǎn)生過(guò)多時(shí)會(huì)造成大量逃液，發(fā)酵液從排氣管路或軸封逃出而增加染菌機(jī)會(huì)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響通氣攪拌的正常進(jìn)行，從而影響菌的呼吸。調(diào)控方法：使用消泡劑同時(shí)采用機(jī)械強(qiáng)烈震動(dòng)或壓力變化進(jìn)行消泡。.3發(fā)酵罐壓力發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵罐應(yīng)維持一定的正壓力，這樣可以防止因外界空氣中的雜菌侵入而污染發(fā)酵液。同時(shí)罐壓的高低還與氧和二氧化碳在培養(yǎng)液中的溶解度有關(guān)，間接影

7、響代謝。罐內(nèi)壓力一般維持在2×104 5×104 Pa。表3 發(fā)酵過(guò)程中物理參數(shù)的測(cè)量方法和意義名稱(chēng)測(cè)定方法意義及主要作用發(fā)酵溫度/或K溫度計(jì)保證生長(zhǎng)，繁殖和產(chǎn)物合成發(fā)酵罐壓力/Pa或·m-2壓力計(jì)維持正壓，增加溶氧量空氣流量/m3·min-1或L·min-1流量計(jì)供養(yǎng)、排出廢氣攪拌轉(zhuǎn)速/r·min-1轉(zhuǎn)速表使物料和氣體混合發(fā)酵液黏度/Pa·s粘度計(jì)反映菌生長(zhǎng)情況發(fā)酵罐裝量/m3或L液位計(jì)反映發(fā)酵生產(chǎn)批量發(fā)酵液密度/g·L-1加消泡劑/密度計(jì)反映發(fā)酵液性質(zhì)流量計(jì)反映發(fā)酵液性質(zhì)和代謝情況 化學(xué)參數(shù).1溶氧濃度對(duì)發(fā)酵的

8、影響及調(diào)控大腸桿菌為兼性厭氧菌，在其生長(zhǎng)期時(shí)需要大量的氧氣，但是在發(fā)酵過(guò)程中，表現(xiàn)出厭氧的性質(zhì)。所以在發(fā)酵前期應(yīng)保持一定的通風(fēng)量，在發(fā)酵時(shí)減少通風(fēng)量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，在大腸桿菌生長(zhǎng)階段，溶解氧濃度為30%，在產(chǎn)酸階段的溶解氧濃度為20%，有利于菌體的生長(zhǎng)及以后的發(fā)酵。調(diào)控：氧濃度低，可以增大攪拌功率，增加通氣量或選用氧載體等，若氧濃度增高，則減慢攪拌速率，減小通氣量，同時(shí)控制補(bǔ)料速度。.2 pH對(duì)發(fā)酵的影響及調(diào)控pH對(duì)生產(chǎn)菌的生長(zhǎng)具有非常明顯的影響，因其影響生產(chǎn)菌的酶活性，改變細(xì)胞膜的通透性，影響培養(yǎng)基中某些組分中間代謝產(chǎn)物的解離，從而影響菌體對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，改變菌體的代謝途徑，從而使產(chǎn)物產(chǎn)量下

9、降。調(diào)控：在線檢測(cè)發(fā)酵液的pH，根據(jù)發(fā)酵的不同階段對(duì)發(fā)酵液PH值進(jìn)行調(diào)控，在發(fā)酵液pH值不穩(wěn)定的時(shí)候可以選擇加簡(jiǎn)單的酸堿鹽，銨鹽，或同時(shí)加入碳氮源等方法來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH值。在本設(shè)計(jì)中，主要加入氨水來(lái)調(diào)節(jié)pH值。.3 CO2對(duì)發(fā)酵的影響及調(diào)控CO2對(duì)生產(chǎn)有抑制作用，當(dāng)CO2濃度過(guò)高時(shí)將嚴(yán)重抑制菌體的生長(zhǎng)， 影響產(chǎn)物的合成。同時(shí)CO2濃度過(guò)高生成大量的HCO3-，使溶液pH值降低，影響生產(chǎn)菌細(xì)胞膜通透性，從而影響產(chǎn)物產(chǎn)量。調(diào)控：調(diào)整攪拌速率與通氣量，定時(shí)檢測(cè)CO2 的釋放率。表4 發(fā)酵過(guò)程中化學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法和意義名稱(chēng)測(cè)定方法意義及主要作用酸堿度（pH）pH傳感器反映菌體的代謝情況溶解氧/mg&#

10、183;L-1溶氧傳感器反映氧的供給和消耗情況排氣氧濃度/Pa氧傳感器了解氧的消耗情況氧化還原電勢(shì)/mV電勢(shì)傳感器反映菌體的代謝情況排氣二氧化碳/紅外吸收了解菌體的呼吸情況氨基酸濃度/mg·mL-1取樣測(cè)定了解氨基酸的變換情況總糖和還原糖/g·L-1取樣測(cè)定了解糖的變化和消耗情況前體或中間體/ mg·mL-1取樣測(cè)定了解產(chǎn)物合成情況無(wú)機(jī)鹽濃度（Fe2+,NH4+）/mol或取樣測(cè)定了解無(wú)機(jī)離子對(duì)發(fā)酵的影響 生物參數(shù).1菌體濃度對(duì)發(fā)酵的影響及調(diào)控菌體濃度的大小和變化速度對(duì)菌體的生化反應(yīng)都有影響，更是對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物的得率有著重要的影響。根據(jù)發(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)率P=QPmC(X)Q

11、Pm最大生成速率：C(X)菌體濃度3得出，菌濃度越大，產(chǎn)物的產(chǎn)量也就越大。但是如果菌體濃度過(guò)高，就會(huì)產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗過(guò)快，發(fā)酵液營(yíng)養(yǎng)成分發(fā)生明顯變化。同時(shí)由于菌體濃度過(guò)高，發(fā)酵液粘度增加，溶氧量減少，進(jìn)一步影響發(fā)酵的進(jìn)行。調(diào)控：定時(shí)抽取發(fā)酵液，測(cè)量OD值。依靠調(diào)節(jié)發(fā)酵液各成分的的比例，將菌體濃度控制在合適范圍內(nèi)，避免產(chǎn)生過(guò)濃的菌體量。.2基質(zhì)溶度對(duì)發(fā)酵的影響及調(diào)控即發(fā)酵液中碳、氮重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，他們的含量對(duì)生產(chǎn)菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的合成由著重要影響。若碳源過(guò)高，則容易造成較低的pH，抑制菌體生長(zhǎng)，碳源不足，則容易引起菌體的衰老和自溶。若氮源過(guò)高，會(huì)是菌體生長(zhǎng)過(guò)于旺盛，pH偏高，不利于代謝產(chǎn)物的積累

12、，氮源不足，則菌體繁殖量少，從而影響產(chǎn)量。調(diào)控：定時(shí)抽取發(fā)酵液，測(cè)定碳、氮等基質(zhì)的濃度。.3染菌對(duì)發(fā)酵的影響及調(diào)控發(fā)酵過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格防止污染雜菌，雜菌會(huì)造成發(fā)酵液營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的迅速消耗，同發(fā)酵菌產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)作用，降低產(chǎn)量。若是在發(fā)酵后期污染少量雜菌，則影響不大。調(diào)控：定時(shí)抽取發(fā)酵液進(jìn)行檢測(cè)，檢查是否有雜菌污染。主要方法有：平板劃線培養(yǎng)或者斜面培養(yǎng)檢查法，顯微鏡檢查法，肉湯培養(yǎng)法。發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液被雜菌污染，視發(fā)酵階段不同，處理方法也不同：若在種子培養(yǎng)期染菌，則經(jīng)滅菌后棄之，然后對(duì)種子罐、管道等進(jìn)行仔細(xì)檢查及徹底滅菌；若發(fā)酵前期染菌，則可將培養(yǎng)基重新滅菌，再接入種子進(jìn)行發(fā)酵；若中后期染菌，如輕微染菌，則加入適當(dāng)

13、的殺菌劑或抗生素及正常的發(fā)酵液等。發(fā)酵液中一般加入50µg/ml的四環(huán)素。發(fā)酵終點(diǎn)的判斷發(fā)酵時(shí)間需要考慮經(jīng)濟(jì)因素，以最低的成本來(lái)獲得最大生產(chǎn)能力的時(shí)間為最適發(fā)酵時(shí)間。放罐過(guò)早，營(yíng)養(yǎng)成分得不到有效利用，對(duì)成本造成浪費(fèi)；放罐過(guò)晚，菌體自溶，加大后期產(chǎn)物的分離純化的難度，還會(huì)使產(chǎn)品的產(chǎn)量降低。一般判斷放罐時(shí)間的主要指標(biāo)有產(chǎn)物濃度、氨基氮、菌體形態(tài)、pH值、培養(yǎng)液的外觀、粘度等。發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)控制自動(dòng)控制系統(tǒng)由控制器和被控對(duì)象兩個(gè)基本因素組成。發(fā)酵過(guò)程采用的基本自控主要有前饋控制，反饋控制和自適控制。本設(shè)計(jì)采用反饋控制。原理：被控過(guò)程的輸出量X (t)被傳感器檢測(cè)，以檢測(cè)量Y(t)反饋到控制

14、系統(tǒng)，控制器使之與預(yù)定的值r(t)（設(shè)定點(diǎn)）進(jìn)行比較，得出偏差e，然后采用某種控制算法根據(jù)這一偏差e確定控制動(dòng)作U(t)4。1.4 培養(yǎng)基配方的確定種子罐培養(yǎng)基配方表5 種子灌培養(yǎng)基配方葡萄糖硫酸銨玉米漿豆餅水解液MgSO4·7H2OFeSO4·7H2OKH2PO4MnSO4.H2OPH3%0.5%4.0ml2.0ml0.04%0.001%0.1%0.001%7.07.2發(fā)酵罐培養(yǎng)基配方表6 發(fā)酵培養(yǎng)基配方（g/l）葡萄糖130玉米漿22ml豆餅水解液25ml(NH4)2SO440Phe0.15Tyr0.15MgSO4·7H2O0.4MnSO4·H2O0

15、.01FeSO4·7H2O0.01VB1100µgVH50µg培養(yǎng)基的滅菌對(duì)于液體培養(yǎng)基，我國(guó)仍采用蒸汽加熱滅菌的較多。本設(shè)計(jì)采用薄板換熱器連續(xù)滅茵流程。培養(yǎng)液在設(shè)備中同時(shí)完成預(yù)熱、加熱滅菌、維持及冷卻的過(guò)程。待滅菌培養(yǎng)液的預(yù)熱過(guò)程同時(shí)為滅菌培養(yǎng)浪的冷卻過(guò)程，節(jié)約了加熱蒸汽及冷卻水的消耗5。2發(fā)酵罐及其附屬設(shè)備2.1發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)形式物料衡算：已知相關(guān)參數(shù)：色氨酸的年產(chǎn)量：G= 100（噸）；發(fā)酵平均單位：25000 u/ ml； 一年的工作天數(shù)：T1=300（天）；發(fā)酵周期：T2=2天；發(fā)酵周期=每罐批發(fā)酵時(shí)間+輔助時(shí)間；輔助時(shí)間=進(jìn)料時(shí)間+滅菌操作時(shí)間+移種時(shí)間

16、+放罐壓料時(shí)間+清洗檢修時(shí)間。所以，發(fā)酵周期數(shù)：N =T1 / T2= 150(個(gè))提煉總收率：60%6每個(gè)發(fā)酵周期所產(chǎn)生的色氨酸的量為：g=G/N=100/150=0.67 t每個(gè)發(fā)酵生產(chǎn)周期所需發(fā)酵液體積為：V=0.67 t/25000 u/ ml=26.67 m³因總提煉率為0.6所以每個(gè)發(fā)酵生產(chǎn)周期中所需的發(fā)酵液體積為：VT=26.67/0.6=44.45 m³罐的幾何尺寸罐中的培養(yǎng)液因通氣和攪拌會(huì)引起液面上升和產(chǎn)生泡沫，因此罐中實(shí)際裝料量不能過(guò)大，一般取裝料系數(shù)為0.60.75。 取裝料系數(shù)為0.75 ,則需發(fā)酵罐體積為：V0=V/=44.45/0.75=59.2

17、6 m³則相對(duì)應(yīng)得工業(yè)上所需發(fā)酵罐的體積應(yīng)取60 m3。由于工業(yè)上發(fā)酵罐的容積多在5000L以上，大至200000L。因此我們選用10m³的發(fā)酵罐，故每個(gè)發(fā)酵生產(chǎn)周期所需發(fā)酵罐臺(tái)數(shù)：N罐=60 / 10=6（臺(tái)）(1)發(fā)酵罐實(shí)際年產(chǎn)量：G=100×60/59.26=101.24 噸/年(2)每個(gè)發(fā)酵罐的所需發(fā)酵液量：V=44.45/6=7.41 m3發(fā)酵罐尺寸確定發(fā)酵罐體部分的尺寸有一定的比例，罐的高度與直徑之比一般為1.74倍左右。新型的高位發(fā)酵隨高度與直徑之比在10倍以上，其優(yōu)點(diǎn)是大大提高了空氣的利用率，但是壓縮空氣的壓力需要較高，原料不易混合均勻，廠房高，操

18、作不便。 確定發(fā)酵罐直徑和高度標(biāo)準(zhǔn)式發(fā)酵罐的筒體高度和直徑比：D < 1.2m時(shí)，一般H / D=1.72; D >1.2m時(shí)，一般 H / D = 24。發(fā)酵罐的容量一般指圓筒體的體積加橢園形底的體積。V0 = VC + VbVc=(/4) D2 HVb =0.785D2H1.5D3式中：V0-發(fā)酵罐全容量，m3；VC-筒體體積，m3；Vb-橢園底體積，m3；H-橢園直邊高度，m。因此： V0 = VC + Vb= (/4) D2 H+ 1.5D3取 H/D = 2V0 = (2/4)D3 + 1.5D3 = 3D3 可知：D=1.5m則有：H=2D=3.0 m Di=1/3D=

19、0.5 m S=3Di=3×0.5=1.5 m C=Di=0.5 m B=0.1D=0.1×1.5=0.15 m ha=0.25D=0.25×1.5=0.375 m S1=1.5Di=0.75 m不同設(shè)備的厚度不同，可取30 mm、40 mm、50 mm。根據(jù)我們的發(fā)酵設(shè)備。取hb=30 mm。h=ha + hb =0.375+0.03=0.405 m 發(fā)酵罐圓筒壁厚的計(jì)算a計(jì)算發(fā)酵設(shè)備圓筒壁厚的一些參數(shù)如下：計(jì)算壁厚：PDi/ 2at-P 式中：-計(jì)算壁厚，m；P -計(jì)算壓力，kgf/cm2；Di-內(nèi)徑，m；at-設(shè)計(jì)溫下的許用應(yīng)力；- 焊封系數(shù)(與焊接方法及無(wú)

20、損探傷有關(guān))，取0.85；設(shè)計(jì)壁厚設(shè)壁厚+壁厚附加量C式中：C = C1 + C2；C1-鋼板負(fù)偏差(質(zhì)星加工偏差系數(shù))；C2-腐蝕量(每年腐蝕的量)。b計(jì)算發(fā)酵設(shè)備橢圓封頭壁厚的一些參數(shù)如下： + C -名義壁厚，查鋼板樣本，m；-有效壁厚，=-C。GB 150-89鋼制焊接壓力容器，許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)為：at137Mpa（150）。c計(jì)算結(jié)果圓筒壁厚：橢圓封頭壁厚：許用壓力：P=1.704MP。通氣和攪拌(1)通氣要求由于大腸桿菌是兼性厭氧菌，在生長(zhǎng)階段是需要大量的氧氣，而在產(chǎn)酸階段，需氧量下降，因此要求有一定的通風(fēng)量。在設(shè)計(jì)及安裝吸風(fēng)塔時(shí)應(yīng)注意：空氣壓縮機(jī)吸風(fēng)盡量減少壓力損失；來(lái)源空氣盡量要求

21、潔凈，減少壓縮機(jī)氣缸的摩擦。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮一下兩個(gè)方面來(lái)解決發(fā)酵時(shí)對(duì)吸風(fēng)塔的要求：a吸風(fēng)塔進(jìn)氣管至空氣壓縮機(jī)一段的管路，要求直管連接，避免彎管或多彎管。b地面以上10 m之外的高度含塵埃量及微生物含量均在百萬(wàn)級(jí)以上。因而吸風(fēng)口高度應(yīng)高出地面10 m以上。(2)發(fā)酵罐發(fā)酵過(guò)程需要的壓縮空氣量根據(jù)某些湖北武漢某家色氨酸發(fā)酵廠給出的數(shù)據(jù)，在菌種生長(zhǎng)階段，以3 L/min的通風(fēng)量通氣，在菌種產(chǎn)酸階段，以2 L/min的通風(fēng)量通氣。 攪拌器選型和攪拌功率計(jì)算發(fā)酵罐的攪拌器一般都采用具有圓盤(pán)的渦輪攪拌器, 攪拌葉的型式有平葉、彎葉、箭葉三種, 通常有六個(gè)葉片均勻排列在圓盤(pán)上。我國(guó)普遍采用六彎葉或六箭葉

22、園盤(pán)渦輪式, 本設(shè)計(jì)因罐小要求加強(qiáng)軸向混合, 故選用六平直葉園盤(pán)渦輪式。攪拌器功率計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌功率：P=NpN3Di5選用的攪拌器械為圓盤(pán)六平直葉渦輪，根據(jù)資料可知，發(fā)酵罐物料流動(dòng)屬湍流，圓盤(pán)六平直葉渦輪的Np6.0，Di=0.5 m。根據(jù)廠家提示，攪拌轉(zhuǎn)速選取500 r/min，液體密度選取4.6 g/L。P0=NpN3Di5=6.0×0.55×(5000/60)3×4.6=498.73 KW校正后的實(shí)際功率：P實(shí)= 705.30 KW根據(jù)一般攪拌器之間的距離 S = 3 Di攪拌器個(gè)數(shù)=發(fā)酵罐筒體高度/攪拌器間距：3.0/(3.0×0.5)=2

23、(個(gè)）故取兩個(gè)攪拌器，二個(gè)攪拌器的功率一般為單個(gè)的1.5倍,則P實(shí)=705.301.5=1057.95 KW通風(fēng)條件下攪拌軸功率計(jì)算在通風(fēng)情況下, 攪拌功率將下降, 在通風(fēng)速度大于30m3/ h時(shí), 攪拌功率僅為不通風(fēng)的40%。則 P實(shí)=1057.950.4=423.18 KW。故現(xiàn)取電動(dòng)機(jī)功率500 KW。發(fā)酵罐的能量消耗機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐能量消耗主要包括攪拌器電的消耗、蒸汽消耗和壓縮空氣消耗。其中壓縮空氣為耗能工質(zhì)，視為消耗能源。攪拌器電的消耗計(jì)算攪拌器電功率為500KW，其年電耗為：（年運(yùn)轉(zhuǎn)率=0.765）發(fā)酵罐年電耗=年運(yùn)轉(zhuǎn)率×年工作日×24小時(shí)×P實(shí)=0

24、.765×300×24×500=2.75×106 KWh擋板數(shù)擋板可以有效地阻止罐內(nèi)液體的圓周運(yùn)動(dòng)，減少或阻止液體下凹現(xiàn)像。培養(yǎng)液在擋板的作用下會(huì)產(chǎn)生小旋渦，這些旋渦隨主體流動(dòng)遍及整個(gè)副產(chǎn)品養(yǎng)液中，提高了混合效果。 一般選取全擋板。選用擋板寬度：B=0.1D=0.1×1.5=0.15 m根據(jù)全擋板的計(jì)算公式：B/D=0.4/mb 得擋板塊數(shù)：mb=4塊傳熱發(fā)酵罐的傳熱裝置有夾套、內(nèi)蛇管、外盤(pán)管。一般容積較小的發(fā)酵罐采用夾套為傳熱裝置，所以本設(shè)計(jì)選用夾套為傳熱裝置。通常將發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的凈熱稱(chēng)為發(fā)酵熱，其熱平衡方程可如下表示： 換熱面積發(fā)酵熱效應(yīng)

25、Q熱= QpV液Q熱-發(fā)酵熱效應(yīng),KJ/h；Qp-發(fā)酵熱，17500KJ/m3h（L-色氨酸）V液-發(fā)酵液體積，m3。則 Q熱= 17500(100.75)=1.3125105 KJ/h。(1)冷卻水量計(jì)算發(fā)酵過(guò)程, 冷卻水系統(tǒng)按季節(jié)氣溫不同, 采用冷卻水系統(tǒng)也不同，為了保證發(fā)酵生產(chǎn), 夏季必須使用冰水。冬季：采用循環(huán)水進(jìn)口水溫15, 出口水溫20；夏季：采用冰水進(jìn)口水溫10, 出口水溫20。冬季冷卻用循環(huán)水用量計(jì)算：（取裕量系數(shù)1.2）=7.5噸/小時(shí)取8噸/小時(shí)夏季冷卻用循環(huán)水用量計(jì)算：W2=3.75 噸/小時(shí)取4噸/小時(shí)(2)冷卻器面積計(jì)算Q-發(fā)酵熱效應(yīng),KJ/h;夾套的傳熱系數(shù)通常為6

26、301050 KJ/(m2·h·)，取傳熱系數(shù)K為850 KJ/(m2·h·)。tm對(duì)數(shù)平均溫差： m2空氣處理系統(tǒng).1空氣的預(yù)處理(1)空氣預(yù)處理系統(tǒng)及除菌設(shè)備無(wú)菌空氣是微生物呼吸的氧源，大量的無(wú)菌空氣是整個(gè)發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程的首要條件。空氣過(guò)濾器能防止空氣把雜菌帶入發(fā)酵過(guò)程，保證發(fā)酵從接種到放罐的整個(gè)過(guò)程為純種培養(yǎng)。而且在進(jìn)入總過(guò)濾器之前要把壓縮空氣中夾帶的水滴、油滴除去。因此空氣在進(jìn)入空氣總過(guò)濾器之前一定要經(jīng)過(guò)降溫、除水、除油的預(yù)處理。(2)空氣預(yù)處理系統(tǒng)的設(shè)備流程吸風(fēng)塔前置過(guò)濾器空氣壓縮機(jī)空氣貯罐第一冷卻器旋風(fēng)分離器第二冷卻器旋風(fēng)分離器絲網(wǎng)除沫器空氣加

27、熱器總過(guò)濾器進(jìn)入車(chē)間發(fā)酵罐上空氣過(guò)濾器.2空氣過(guò)濾器空氣除菌流程應(yīng)按實(shí)際發(fā)酵生產(chǎn)對(duì)無(wú)菌空氣的要求而定。例如發(fā)酵條件所要求的無(wú)菌程度、空氣壓力、溫度和濕度等，并結(jié)合采氣環(huán)境的空氣條件和所用除菌設(shè)備的特性而制定?？諝膺^(guò)濾器尺寸計(jì)算設(shè)計(jì)通風(fēng)量為136.5 m3/min空氣過(guò)濾器，選用直徑df16 m的棉花纖維，填充系數(shù)8，空氣流速0.1 m/ s，空氣壓強(qiáng)為392 kPa(絕對(duì)壓強(qiáng)) ，進(jìn)入過(guò)濾器的空氣含菌量是5000個(gè)/ m3，發(fā)酵周期為48 h，要求倒罐牢為0.1，工作溫度30。查得過(guò)濾常數(shù)K13.5 /m。(1)計(jì)算過(guò)濾層厚度L：L=每批發(fā)酵通風(fēng)過(guò)濾前含菌總數(shù)為：N1=5000×13

28、6.5×60×48=1.97×109(個(gè))過(guò)濾后含菌數(shù)為N210-3 個(gè)/m3 代入上式計(jì)算的L =0.67 m。(2)計(jì)算過(guò)濾器直徑D：進(jìn)口空氣壓強(qiáng)P198070Pa過(guò)濾工作壓強(qiáng)P2392000Pa通風(fēng)為136.5m3/min=2.28m3/s 過(guò)濾器空氣流量Q2：Q2=0.590 m/s因此，過(guò)濾層直徑(即過(guò)濾器內(nèi)徑)D：D=2.24 m管道及閥門(mén)在發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，管道與閥門(mén)的滅菌比發(fā)酵罐要難。而且各類(lèi)閥門(mén)的使用數(shù)量要比發(fā)酵主體設(shè)備要多，在閥門(mén)處還有可能產(chǎn)生滅菌死角，所以在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)它們的關(guān)注要比發(fā)酵罐多，防止閥門(mén)本身出現(xiàn)的滴、漏、跑以及其他脫桿掉頭的現(xiàn)象發(fā)生。在安裝管道及閥門(mén)時(shí)，應(yīng)注意盡量避免拐角、連接，減少產(chǎn)生滅菌死角的幾率。蒸汽及空氣用量蒸汽消耗（一個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)）（1）直接蒸汽混合加熱蒸汽消耗量計(jì)算D1=(1+)式中：D1-蒸汽消耗量，kg/h；G-被加熱料液量，已知，59.26 m3；C-料液比熱容，取C=4.2 KJ/kg；t2-加熱結(jié)束時(shí)的料液溫度，取120t1-加熱開(kāi)始時(shí)的料液溫度，取35i-蒸汽焓，0.4MP蒸汽焓為2717KJ/kg-熱損失，取5%噸(2)滅菌保溫時(shí)間內(nèi)的蒸汽用量D2D2=0.5D1=8.640.5=4.32噸(3)蒸汽總用量DD = D1 + D2=12.96 噸發(fā)酵罐發(fā)酵過(guò)程需要的壓縮空氣量