生物工程畢業(yè)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 畢業(yè)設(shè)計 設(shè)計題目：年產(chǎn)300噸L-纈氨酸工廠工藝設(shè)計專心-專注-專業(yè)Absdract The design is mainly carried 300 tons of L-valine plant design. After the status of domestic production of L-valine were analyzed, intends to investL-valine production plant in Yichang Three Gorges Economic Area. First Production L-valine opt

2、imized design, using materials batch fermentation methods added to improve the yield of L-valine, and then based on the yield and production process developed by the workshop and material balance the main production equipment selection. Made a preliminary design. The whole design fully consider the

3、current economic situation and future development needs, select the device starting from the energy point of view. Production processes to maximize the mechanization and automation levels, while seeking advanced technology, reliable quality, reasonable layout, specification.Keywords: L-valine Brevib

4、acterium flavum material balance heat balance equipment design and selection 摘要 本設(shè)計主要是進(jìn)行年產(chǎn)300噸L-纈氨酸工廠設(shè)計。 在對L-纈氨酸國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀作了分析后，擬在宜昌市三峽經(jīng)濟(jì)區(qū)投資L-纈氨酸生產(chǎn)工廠。首先對L-纈氨酸的生產(chǎn)工藝作了優(yōu)化設(shè)計，采用輔料分批添加發(fā)酵的方法，提高L-纈氨酸的產(chǎn)量，然后依據(jù)擬定的產(chǎn)量與工藝流程對生產(chǎn)車間進(jìn)行了物料衡算與主要生產(chǎn)設(shè)備的選型。作了一個初步的設(shè)計方案。 整個設(shè)計充分考慮了目前的經(jīng)濟(jì)狀況和今后發(fā)展的需要，從節(jié)能的角度出發(fā)選擇設(shè)備。生產(chǎn)流程盡量提高機(jī)械化、自動化水平，同時

5、力求技術(shù)上先進(jìn)，質(zhì)量上可靠，布局上合理、規(guī)范。 關(guān)鍵詞：L-纈氨酸 黃色短桿菌 物料衡算 熱量衡算 設(shè)備設(shè)計和選型 目錄 4 發(fā)酵車間設(shè)備選型 1 前言1.1 L-纈氨酸的性質(zhì) 纈氨酸分子式： 纈氨酸（英文名：Valine）為白色結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，在水中溶解，在乙醇中幾乎不溶。是一種營養(yǎng)增補劑，是必需氨基酸之一。 無色至白色片狀晶體或白色結(jié)晶性粉末。無臭，味微甜而后苦。本品在水中溶解，在乙醇中幾乎不溶。比旋度 取本品，精密稱定，加6mol/L鹽酸溶液溶解并釋稀成每1ml中含80mg的溶液，依法測定（附錄 E），比旋度為26.5°至29.0°。1.2 立題的背景與意義 鑒于國

6、內(nèi)外對此產(chǎn)品需求量增大，市場供應(yīng)也相當(dāng)緊張，且價格不斷上揚。因此，開發(fā)纈氨酸，市場前景好，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益更為顯著。本設(shè)計即是針對我國纈氨酸發(fā)展現(xiàn)狀，對纈氨酸的生產(chǎn)進(jìn)行了更為優(yōu)化的設(shè)計，設(shè)計了年產(chǎn)300噸纈氨酸的生產(chǎn)工廠，在工藝分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了物料衡算、設(shè)備選型，提取工藝并對生產(chǎn)工廠進(jìn)行了合理的布局。同時，設(shè)計過程中，也注意環(huán)境保護(hù)，及時有效的處理生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的三廢問題。1.3設(shè)計擬定的工作內(nèi)容本設(shè)計擬定的工作內(nèi)容包括工廠設(shè)計的基本內(nèi)容，解決工廠設(shè)計所需要解決的主要問題，如廠址的選擇，產(chǎn)品方案，生產(chǎn)工藝的論證，車間平面設(shè)計，全廠平面設(shè)計，物料與能量的衡算等，此外還包括設(shè)備選型，公用系

7、統(tǒng)，三廢處理等。1.4廠址的選擇宜昌市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)符合L-纈氨酸工廠的建廠要求，所以本設(shè)計的工廠建立在宜昌市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)。設(shè)計占10000平方米。1.5 產(chǎn)品方案 到目前為止，國家在氨基酸生產(chǎn)行業(yè)還缺失行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這也是制約我國氨基酸健康發(fā)展的一大因素。本設(shè)計的產(chǎn)品方案參照國外標(biāo)準(zhǔn)、日本氨基酸生產(chǎn)企業(yè)味之素的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和中國藥典里的標(biāo)準(zhǔn)。對于藥用L-纈氨酸中國藥典里的標(biāo)準(zhǔn)是性狀：白色結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，成品中L-纈氨酸的含量98.5%,透光率98%，pH5.57.0,比旋光率（20）+26.9º-27.9º，蛋白質(zhì)檢測：取1克樣品溶解于10ml水當(dāng)中，加20%三氯醋酸溶液5滴

8、，不得生成沉淀。本設(shè)計按藥典的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)藥用級的L-纈氨酸。1.6 班產(chǎn)量的確定依據(jù)：年產(chǎn)300噸L-纈氨酸按年生產(chǎn)天數(shù)300天算，則日生產(chǎn)量為300/300=1噸/天。實行三班制，班產(chǎn)量為1/3=0.33噸/班，見下表1-1表1-1產(chǎn)品方案及班產(chǎn)量產(chǎn)品名稱年產(chǎn)量/噸日產(chǎn)量/噸班產(chǎn)量/噸 L-纈氨酸30010.33 2 工藝流程及論證2.1 L-纈氨酸的生產(chǎn)方法 纈氨酸制備：由于纈氨酸具有旋光性，而生物所能利用的只有左旋（L）型，恰好微生物發(fā)酵法所得的全部為L型，因此利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)纈氨酸是最重要的方法。微生物發(fā)酵法的原理是發(fā)酵法是借助微生物具有合成自身所需氨基酸的能力，通過對菌株的誘變等處

9、理，選育出各種營養(yǎng)缺陷型及氨基酸結(jié)構(gòu)類似代謝調(diào)節(jié)中的反饋抑制與阻遏，達(dá)到過量合成L-氨基酸的目，工藝過程簡單，產(chǎn)量高，是目前國際是生產(chǎn)L-纈氨酸的主要方法。2.2發(fā)酵菌種與培養(yǎng)基原料2.2.1 發(fā)酵菌種與發(fā)酵周期 本設(shè)計以黃色短桿菌為發(fā)酵菌種，其發(fā)酵周期為80小時，加上發(fā)酵罐清洗、滅菌、進(jìn)出物料等輔助操作時間，生產(chǎn)周期按96小時計，也就是四天為一個生產(chǎn)周期。2.2.2 種子培養(yǎng)和發(fā)酵培養(yǎng)基種子培養(yǎng)和發(fā)酵培養(yǎng)基以葡萄糖為主要碳源。1、 二級種子培養(yǎng)基（g/L)：葡萄糖30.0,輔料：玉米漿（CSL）20.0、5.0、尿素1.0、0.5、1.5、0.4、維生素H25、pH5.57.0。發(fā)酵培養(yǎng)基（

10、g/L)：葡萄糖125.0,輔料：玉米漿（CSL）10.0、尿素1.0、1.5、30.0、0.5、維生素H50、維生素B1HCl1mg、pH7.07.2。2.3 工藝流程空氣菌種原料預(yù)處理 空氣壓縮機(jī) 斜面培養(yǎng) 斜面擴(kuò)大培養(yǎng)冷卻 雙酶法糖化活性炭脫色輔料 強(qiáng)堿性陰離子一級種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)氣液分離淀粉水解糖超濾（截留分子量6000）二級種子罐擴(kuò)大培養(yǎng) 過濾除菌滅菌 純化液 降膜預(yù)濃縮單效減壓濃縮 發(fā)酵 (pH7.0,30-32) 絮凝劑液濃縮 濃菌漿 陶濾 結(jié)晶鍋冷卻結(jié)晶 發(fā)酵清液 上清液板框過濾 離心強(qiáng)酸性陽離子2mol/L氨水洗脫 濕菌塊 干燥 高流分 干燥 母液成品L-纈氨酸 驅(qū)氨 飼料2.

11、4 工藝流程論證本設(shè)計的產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)為成品含量98.5%，透光率98.0%，對下游的提取過程要求較高，具體過程如下：2.4.1 發(fā)酵的控制將斜面培養(yǎng)的菌種接種到搖瓶當(dāng)中，在30，120r/min的條件下培養(yǎng)18個小時，然后接入一級和二級種子罐,在30，pH5.57.0，供氧的條件下，培養(yǎng)710個小時，使活菌濃度達(dá)到1.081.09×108個/ml，以滿足發(fā)酵用菌。種子擴(kuò)大培養(yǎng)的培養(yǎng)基與發(fā)酵培養(yǎng)基基本相同，以縮短種子對新環(huán)境的適應(yīng)時間，減少延滯期時間，縮短發(fā)酵周期。 發(fā)酵的控制：L-纈氨酸的發(fā)酵條件的控制包括溫度、pH、菌齡及接種量、通風(fēng)及攪拌、氧的傳遞、泡沫等。用發(fā)酵條件來控制發(fā)酵過程

12、中各種生化反應(yīng)的方向和速度，以達(dá)到高產(chǎn)的目的。 黃色短桿菌適合的生長溫度在3035，但菌體生長與產(chǎn)酸時的主要酶不同，因酶的活力所溫度影響，所以最佳生長溫度與最佳產(chǎn)酸溫度有差別，在發(fā)酵前期溫度控制在30，以利于菌體的生產(chǎn)，后期控制在32，利于L-纈氨酸的產(chǎn)生積累。pH也是影響酶的主要因素之一，黃色短桿菌的生長pH在7.0，發(fā)酵過程控制在此pH值。接種量：按照10%的接種量接種，以縮短菌體的生長期，縮短生產(chǎn)周期。溶氧：因為L-纈氨酸發(fā)酵是好氧發(fā)酵，溶氧是發(fā)酵必需的，溶氧不足就會抑制菌體的生長和產(chǎn)酸量，所以發(fā)酵液中的溶氧應(yīng)控制15%飽和氧濃度，通風(fēng)比為0.2wm。泡沫的控制：發(fā)酵上消除泡沫的方法有兩

13、種，一是機(jī)械消泡，二是化學(xué)消泡劑消泡，常見的消泡劑有植物油（豆油、花生油等）、礦物油（石蠟油）、合成消泡（泡敵）。輔料分批添加：通過在發(fā)酵過程中補加一定量的玉米漿可有效解決以上問題，因此12h 后每8h 按發(fā)酵液體積補加0.3玉米漿，硫酸銨直接用于發(fā)酵罐結(jié)果影響前期菌體的生長，延長發(fā)酵周期。因此，發(fā)酵罐上采取低初始濃度，后續(xù)補加的方法：12h 后每6h 按發(fā)酵液體積補加0.3的硫酸銨更有利于發(fā)酵產(chǎn)酸。發(fā)酵終了時，發(fā)酵液中L-纈氨酸含量在5.5%左右。L-纈氨酸的生物合成部方程式為：C6H12O6+HN3+O2C2H11NO2+CO2+H2O葡萄糖的理論轉(zhuǎn)化率為：(3×117.5)&#

14、247;(3×180)=65%發(fā)酵液中含L-纈氨酸5.5%,以1L發(fā)酵液計算，則糖酸轉(zhuǎn)化率為： （1000 ×5.5%）÷125=44%( 2.4.2 提取工藝 陶濾:發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液當(dāng)中包含了大量的菌體，通過陶濾可以將大量菌體與發(fā)酵液分開，高壓通量加低壓通量穩(wěn)定在5m3/h,L-纈氨酸存在于陶濾后的上清液當(dāng)中，濃菌將再用水洗， 濃菌漿體積為發(fā)酵液放罐體積的20%，濃縮了5倍，得到濃菌漿7-8m3。L-纈氨酸收率98%。 強(qiáng)酸性陽離子交換吸附洗脫:L-纈氨酸是中性氨基酸，選用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂吸附洗脫?？刹捎肈155樹脂，上柱液pH5.57.0，中性氨基酸不被

15、吸附，隨過流液除去。用2mol/L氨水洗脫，高流分含L-纈氨酸1.5%2.5%，透光率30%50%，收率96%。 驅(qū)氨:洗脫液當(dāng)中含有大量的氨，可以用三效降膜濃縮器進(jìn)行驅(qū)氨，進(jìn)料量在7m3/h,經(jīng)三效濃縮即可完成驅(qū)氨任務(wù)，收率在92%95%。 脫色，除雜:經(jīng)弱酸性陽樹脂交換后的L-纈氨酸液顯淡黃色，透光率只有30%50%，還達(dá)不到L-纈氨酸透光率98%的要求，所以還要進(jìn)一步的脫色和除雜，為了節(jié)約投資，選用活性碳、和強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂結(jié)合方法，驅(qū)氨后調(diào)pH9.510.0，用活性碳767在40下脫色，透光率可達(dá)90%以上，再經(jīng)強(qiáng)堿性陽離子交換樹脂711OH-進(jìn)一步的脫色除雜，L-纈氨酸不掛柱，這

16、一步可除去全部的陰離子和一些可溶性蛋白質(zhì)雜質(zhì)，L-纈氨酸的收率可達(dá)98%。 超濾:要生產(chǎn)L-纈氨酸，采用超濾除熱源蛋白質(zhì)等大分子雜質(zhì)。蛋白質(zhì)檢測：取1克樣品溶解于10ml水當(dāng)中，加20%三氯醋酸溶液5滴，不得生成沉淀，所以必需嚴(yán)格控制蛋白質(zhì)的含量，超濾是控制蛋白質(zhì)的必需步驟。收率98%。單效減壓濃縮結(jié)晶:經(jīng)過已上的提取步驟后，要得到純品，還必需經(jīng)過濃縮結(jié)晶工序。減壓濃縮：在強(qiáng)制內(nèi)循環(huán)濃縮鍋內(nèi)，加熱面積20m2，初定容4m3，溫度小于50，濃縮終容在1.52m3，L-纈氨酸終濃度45%50%，時間3小時。濃縮液輸入結(jié)晶鍋，溫度控制在4650，進(jìn)行結(jié)晶，結(jié)晶過程中不斷地補料使結(jié)晶過飽和析出，并不斷

17、析出。2.4.3整個提取過程收率 整個提取過程收率為：陶率98%×弱酸性陽離子交換96%×驅(qū)氨92%×脫色除雜98%×超濾98%×減壓濃縮90%×結(jié)晶83%=62% 3 發(fā)酵車間物料衡算 3.1 L-纈氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模噸/年300生產(chǎn)方法黃色短桿菌發(fā)酵，離子交換法提取年生產(chǎn)天數(shù)天/年300產(chǎn)品日產(chǎn)量噸/天0.33產(chǎn)品質(zhì)量純度%99倒灌率%0.5發(fā)酵周期h80發(fā)酵初糖Kg/m3125淀粉糖轉(zhuǎn)化率%98糖酸轉(zhuǎn)化率%65L-纈氨酸提取率%443.2 發(fā)酵車間物料衡算首先計算生產(chǎn)1000kg純度為99%的藥用級L

18、-纈氨酸需耗用的原輔材料及其他物料量。（1）發(fā)酵液量V1 V1=1000÷(125×44%×99.5%×65%)28(m3)式中 125發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度（kg/m3） 44%糖酸轉(zhuǎn)化率 99.5%除去倒灌率0.5%后的發(fā)酵成功率 65%L-纈氨酸提取收率（2）發(fā)酵液配制需水解糖量G1 以純糖算 ，G1=V1×125=3504（Kg）式中 125發(fā)酵液初糖含量（kg/m3）（3） 一二級種子液量 二級種子液量 V2液量 V2液量=10%V1=2.8(m3)一級種子液量V1液量 V1液量=10% V2液量0.28（4）一二級種子培養(yǎng)液所需水解糖量

19、 G2 G2=30(V1液量+V2液量）=92.4（Kg）式中 30為一二級種液含糖量（kg/m3）（5）生產(chǎn)1000kgL-纈氨酸需水解糖總量G為： G=G1+G2=3596.4(Kg)（6）耗用淀粉原料量 理論上，100kg淀粉轉(zhuǎn)化生成葡萄糖量為111kg，故理論上耗用的淀粉量G淀粉為：G淀粉=3596.4÷（86%×98%×111%）3364.5（Kg)式中 86%淀粉原料含純淀粉量 98%淀粉糖轉(zhuǎn)化率 發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果列表由上述生產(chǎn)1000kgL-纈氨酸（99%純度）的物料衡算結(jié)果，可求得300噸/年L-纈氨酸發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果。具體計算結(jié)果如下

20、表： 表3-2 300噸/年L-纈氨酸發(fā)酵車間物料衡算結(jié)果物料名稱生產(chǎn)1000kg（1噸）L-纈氨酸（純度99%）的物料用量生產(chǎn)300噸L-纈氨酸(純度99%）的物料用量一二級種子發(fā)酵液（m3）3.19957發(fā)酵液（m3）298700水解糖總量（kg）3596.41.08×106淀粉(kg)3364.51.01×105 4 發(fā)酵車間設(shè)備選型4.1 發(fā)酵罐的選型當(dāng)前，我國谷氨酸發(fā)酵占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍是機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，即大家常說的通用罐，L-纈氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)是好氧發(fā)酵，需要提供足夠的溶氧才能保證發(fā)酵的正常進(jìn)行，因此選用機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，選用這種發(fā)酵罐的原因主要有

21、：歷史悠久，資料齊全，在比擬放大方面積累了較豐富的成功經(jīng)驗，成功率高。4.2 發(fā)酵罐個數(shù)的確定 年產(chǎn)300噸L-纈氨酸,全年的生產(chǎn)天數(shù)為300天，則每天產(chǎn)300/300=1噸，需要發(fā)酵液的體積為： 28×1=28（m3)發(fā)酵罐的填充系數(shù)=70%；則每天總共有發(fā)酵罐的體積為V0： 發(fā)酵周期為80小時，生產(chǎn)周期為96小時，即四天。發(fā)酵罐個數(shù)的確定：現(xiàn)選取公稱體積為20m3的發(fā)酵罐，總體積為22.6 m3 取公稱體積20m3 發(fā)酵罐9個，其中一個留作備用。實際產(chǎn)量驗算：富裕量 能夠滿足生產(chǎn)需要。4.3主要尺寸的計算公稱容積，是指罐的圓柱部分和底封頭容積之和。并圓整為整數(shù)：上封頭因無法裝液，

22、一般不計入容積。罐的全容積，是指罐的圓柱部分和兩封頭容積之和。4.3.1罐徑與罐體高度現(xiàn)在按公稱容積20m3，全罐的體積為：22.6m3，取高徑比為H：D=211，高徑比小，有利于發(fā)酵罐的溶氧，封頭與圓柱罐體的焊接處的直邊高度不納入體積，則： 根據(jù)圓柱體體積與橢圓的體積計算公式有： 解方程得： 直徑計算出來，應(yīng)將其值圓整到接近的公稱直徑系數(shù)，查吳思方的生物工程工廠設(shè)計概論2007年版，附表25（281）通用式發(fā)酵罐系列尺寸表，則D取2.3, H=2D=2×2.34.6(m)查閱文獻(xiàn)，當(dāng)公稱直徑D為2.3m時，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的曲面高度H為D/4，即0.575m，焊接處的直邊高度h為0.0

23、4m，則總深度為： 封頭容積 ： V封圓柱部分容積： V筒兩者之和為全容積 則設(shè)計的發(fā)酵罐其尺寸符合要求，能夠滿足生產(chǎn)工藝的需要。4.3.2攪拌器的設(shè)計機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的攪拌渦輪有三種形式，由于L-纈氨酸發(fā)酵過程有中間補料操作，對混合要求較高，因此采用六彎葉渦輪攪拌器。六彎葉渦輪式攪拌器已標(biāo)準(zhǔn)化，稱為標(biāo)準(zhǔn)型攪拌器；攪動液體的循環(huán)量大，攪拌功率消耗也大，根據(jù)攪拌器型式及主要參數(shù)HG/T2123-1991標(biāo)準(zhǔn)，知20m3發(fā)酵罐采用6-6-6彎葉式攪拌葉，攪拌器：六彎葉渦輪攪拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4，攪拌器直徑：Di=D/3攪拌器直徑：Di= 葉寬：B=弧長= 底距 盤徑 葉距

24、Y=D=0.77(m) 葉弦長L=0.25Di=0.25×0.77=0.193(m) 彎葉板厚=14(mm) 相鄰攪拌葉輪間距S=2Di=1.54(m) 取兩檔攪拌，轉(zhuǎn)速以50立方米罐的現(xiàn)有數(shù)據(jù)比例求得，已有數(shù)據(jù)：攪拌直徑D11.05m,轉(zhuǎn)速N1110r/min,以P0/V為基準(zhǔn)求得 4.3.3攪拌功率的計算L-纈氨酸的發(fā)酵液為低濃度醪液，可視為牛頓液體，依據(jù)化工工藝設(shè)計手冊用修正的邁凱爾公式求得。設(shè)計參數(shù)：醪液密度=1050kg/m3 醪液粘度=1.3×10-3N·s/m2 攪拌器直徑D=0.77m 攪拌器轉(zhuǎn)速N=135/60=2.25(r/s)（1）計算Re

25、可見把L-纈氨酸發(fā)酵液視為牛頓液體是正確的，為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)Np=4.7（2）由Np可以算出不通氣時發(fā)酵罐攪拌軸功率P0： 因為攪拌軸有兩檔攪拌葉，所以攪拌軸總功率P為2P0=30.4（kw)（3）通風(fēng)時的軸功率Pg 式中 P0不通風(fēng)時攪拌軸功率（kW） N軸轉(zhuǎn)速，N=135r/min D攪拌器直徑（cm），D3=0.773×106=4.6×105 Q通風(fēng)量（ml/min），設(shè)通風(fēng)比為0.110.18，取低限，如通風(fēng)量變大，Pg會小，為安全?，F(xiàn)取0.11；則Q=15.82×0.11×106=1.74×106（ml/min） 代入上式： （

26、4） 電動機(jī)的功率采用三角帶傳動1=0.92；滾動軸承2=0.99，滑動軸承3=0.98；端面密封增加功率為1%7；代入公式數(shù)值得 查手冊選取電機(jī)30kw一臺。4.3.4冷卻裝置設(shè)計20m3發(fā)酵罐的體積比較大，比表面積小，夾套蛇管等形成的冷卻面積已無法滿足生產(chǎn)要求，于是使用內(nèi)置的列管裝置，以水作冷卻介質(zhì)。設(shè)計參數(shù)：L-纈氨酸發(fā)酵產(chǎn)熱4.18×6000kJ/(m3·h)。設(shè)計發(fā)酵罐裝料系數(shù)：取70%換熱器傳熱系數(shù)K取經(jīng)驗值：K=4.18×500 kJ/(m3·h·)發(fā)酵罐裝料液體積： （1）最高熱負(fù)荷下的耗水量： 式中：Q總每1m³醪液

27、在發(fā)酵最旺盛時，1h的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積：Q總=4.18×6000×15.82=4.0×105KJCp冷卻水的比熱容，4.18KJ/(Kg.K)T2冷卻水終溫，27T1冷卻水初溫，20 將各值代入上式， （2） 冷卻管冷卻面積的計算按發(fā)酵生成熱量高峰、一年中最熱的半個月的氣溫下，冷卻水可能達(dá)到最高溫度的惡劣條件下，設(shè)計冷卻面積。平均溫差t： t= 3232 202712 5 代入 t=8換熱面積：=24（3）冷卻管總截面積冷卻水的流量為3.8kg/s,，取冷卻水在豎直蛇管中流速1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積S總為： 式中，w冷卻水體積流量，w=

28、3.8×10m³/s V冷卻水流速，v=1m/s 代入上式，S總=3.8×10()進(jìn)水總管直徑（4） 冷卻管組數(shù)和管徑設(shè)管徑為d0，組數(shù)為n,則冷卻管的總表面積S總 根據(jù)本罐情況，取n=8，求管徑，由上式得： 查國家標(biāo)準(zhǔn)：鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管（GB13296-91），選取27×1.2無縫管，d內(nèi)=24.6mm，d平均=25.8mm?，F(xiàn)取豎蛇管圈端部u型彎管曲徑為250mm，則兩直管距離為500mm，兩端彎管總長度l0 （5） 冷卻管總長度L計算：根據(jù)II的計算結(jié)果可知，冷卻管總的熱交換面積F=24，以無縫鋼管27×1.2作為冷卻用管，

29、需要的總長度為： 每米長冷卻面積為F0=3.14×0.0258×1=0.081(m2) 需要的總長度L=F/F0=296.3(m)冷卻管在發(fā)酵罐內(nèi)占用的體積為：V=0.785×0.0272×177.8=0.17（m3）（6） 每組管長l0和管組高度 另需連接管8m：l實際=L+8=304.3（m）可排豎直列管的高度，設(shè)為靜液面高度，下部不伸入封頭。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為0.5m³，則： 由此可以算出發(fā)酵罐內(nèi)的液面高度為： 豎式蛇管總高H管=3.59(m)，取管間間距為0.5m，又兩端彎管總長1.57m，兩邊彎管總高0.5m，則可算出直管部分高

30、度H為：3.590.5=3.09m則一圈管長為： 每組管子圈數(shù): L實=7.75×5×8+4×8=342(m)296.3(m)管間距為2.5D外=2.5×0.027=0.0675(m)，豎直列管與罐壁的最小距離為0.15m，則可計算出與攪拌器的距離為：在允許范圍內(nèi)（不小于200mm），核實布置后冷卻管的實際傳熱面積為： S實=d×L實=3.14×0.0285×342=27.7(m3)>24(m3)能滿足實際生產(chǎn)的需要，設(shè)計符合需要。4.3.5接管設(shè)計（1)接管的長度h設(shè)計：各接管的長度h根據(jù)直徑大小和有無保溫層，一般取

31、100200mm。(2)接管直徑的確定：按排料管計算：該罐實裝醪量15.82m3，設(shè)0.5h之內(nèi)排空，則物料體積流量發(fā)酵醪流速取v=1m/s;則排料管截面積為F物。取無縫管108x4mm，認(rèn)為合適。設(shè)計每個發(fā)酵罐有一個空氣除菌系統(tǒng)，通風(fēng)量按溶氧量計算：壓縮空氣在0.4MPa下，支管氣速為2025m/s， 通風(fēng)比為 0.2wm20，0.1Mpa下，Q=15.82x0.2=3.164m3/min=0.053m3/s計算到0.4Mpa，32狀態(tài)下， 取風(fēng)速v=20m/s，則風(fēng)管截面積Ff為： Ff=0.785d2氣，則氣管直徑d氣為： 因通風(fēng)管也是排料管，取兩者的大值，取108x4mm無縫鋼管，則滿

32、足工藝。排料時間復(fù)核：物料流量Q=0.0088m3/s，流速v=1m/s，管道截面積： 在相同流速下，流過物料因管徑與原來計算結(jié)果相同，所以所用時間相同。4.3.6設(shè)備材料的選擇考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材料，封頭結(jié)構(gòu)、與罐體連接方式。L-纈氨酸發(fā)酵是在pH7.0中性環(huán)境中進(jìn)行的，對罐體不會有太大腐蝕，所以罐體和封頭都使用A3鋼為材料，以降低費用，封頭設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，因D>500mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。(1)發(fā)酵罐壁厚計算法確定發(fā)酵罐的壁厚S1 式中，P設(shè)計壓力，取最高工作壓力的1.05倍，P=0.4Mpa D內(nèi)發(fā)酵罐內(nèi)徑，D=230cm A3鋼的

33、許用應(yīng)力，【】=127Mpa 焊縫系數(shù)，其范圍為：0.5至1，現(xiàn)取=0.7 C壁厚附加量，C=C1+C2+C3 C1鋼板負(fù)偏差，取C1=0.8mm C2為腐蝕欲量，取C2=2mm C3加工減薄量，取C3=0，代入上式得 C=C1+C2+C3=0.8+2+0=2.8mm=0.28cm 選用8mm厚A3鋼板制作，查生物工程工廠設(shè)計概論附錄表17知，直徑2.3m，厚度8mm，高4.6m，每米高重約為：596kg，則G筒=596×4.6=2741.6(kg)。(2)封頭壁厚計算：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的厚度計算公式如下： 式中，P=0.4Mpa，D=230cm，=127Mpa，C1=0.08cm，C2

34、=0.2cm，C3=0.1cm C=C1+C2+C3=0.38cm代入上式，得 查附表18圓整為S2=10mm，則查生物工程工廠設(shè)計概論附錄表18， G封=474(kg)則，兩封頭總重高：2×474=948(kg)。(3）人孔、檔板、視鏡和支座選擇人孔的設(shè)置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設(shè)備內(nèi)部的裝置。本次設(shè)計只設(shè)置了1個人孔，標(biāo)準(zhǔn)號為： 人孔RF（R·G）450-0.6 HG21522-1995，公稱直徑450，開在頂封頭上，位于左邊軸線離中心軸750mm處。為增強(qiáng)發(fā)酵醪液湍動和溶氧傳質(zhì)，通常設(shè)4到6塊檔板，本設(shè)計取4塊，按全檔板的要求設(shè)計，則應(yīng)該滿足 式中： n檔板的數(shù)目

35、 b檔板的寬度，mm D發(fā)酵罐的直徑，mm則有： 檔板自罐底至設(shè)計的液面高度為止，與罐壁的空隙為D/80.3m。視鏡用于觀察發(fā)酵罐內(nèi)部的情況。本次設(shè)計只設(shè)置了2視鏡，直徑為DN80，開在頂封頭上，位于前后軸線離中心軸750mm處，標(biāo)記為視鏡 PN1.0 DN80 HGJ501-86-17。支座選擇型：對于20m3以上的發(fā)酵罐，應(yīng)該根據(jù)設(shè)備的估計總重量，選用合適的支座。20m3發(fā)酵罐總重估算：1、 圓筒重G筒=2741.6(kg)2、 兩封頭重G封=948(kg)3、 最大裝液量：G液=22600(kg)4、 電機(jī)及附屬設(shè)備重G附=200(kg) 則總量為：G筒+G封+G液+G附=26.5(t)

36、 由于設(shè)備的總重比較大，所以選用裙式支座。4.4 種子罐的選型與設(shè)計發(fā)酵所需的種子從試管斜面出發(fā)，擴(kuò)大至二級種子罐培養(yǎng)，以便獲得足夠的菌體用于發(fā)酵。種子罐也采用通風(fēng)攪拌型的發(fā)酵罐，體積較發(fā)酵罐的小，在5m3以內(nèi)，所以種子罐冷卻方式一般采用夾套冷卻。4.4.1二級種子罐容積和數(shù)量的確定 （1）二級種子罐容積的確定 式中 V總發(fā)酵罐總?cè)莘e（m3）（2）二級種子罐個數(shù)的確定種子罐與發(fā)酵罐應(yīng)是對應(yīng)上料的，發(fā)酵罐平均每天上1.25罐，種子罐培養(yǎng)8h，輔助操作時間10h，生產(chǎn)周期18h，所以，二級種子罐5個已足夠，其中一個備用。4.4.2主要尺寸的確定 （1）種子罐徑高的確定H：D=2：1，則種子罐總?cè)莘e

37、量V'總為： 根據(jù)圓柱體體積與橢圓的體積計算公式有： 解方程得： 直徑計算出來后，應(yīng)將其值圓整到接近的公稱直徑系數(shù)，查吳思方的生物工程工廠設(shè)計概論2007年版，附表25（281）通用式發(fā)酵罐系列尺寸表，則D取1.1m則：H=2D=2×1.1=2.2（m）查吳思方的生物工程工廠設(shè)計概論2007年版，附表15,得D=1.1m時，曲面高度為：h1=275mm,直邊高度h2=25mm,則封頭高H封為： H封 =h1+h2=275+25=300（mm）=0.3（m）罐體總高為：H罐=2H封 +H=2×0.3+2.2=2.8（m）據(jù)此可以算出圓筒容積V筒為：V筒=0.785D2

38、×2D=0.785×1.12×2.2=2.09（m3）單封頭的容積為H封為： （2） 攪拌器的設(shè)計檔板設(shè)計：按全檔板的設(shè)計要求 式中：n檔板的數(shù)目 b檔板的寬度，mm D發(fā)酵罐的直徑，mm取6塊檔則有： 攪拌漿的設(shè)計 采用兩檔攪拌（3)冷卻面積的計算 因為種子罐的體積比較小，按通用式發(fā)酵罐系列設(shè)計需要，5m3以內(nèi)的采用夾套冷卻方式。發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量：夾套傳熱系數(shù)K=4.18×(150250)KJ/(m2·h·），根據(jù)經(jīng)驗取K=4.18×220kJ/（m2·h·）平均溫差t，與發(fā)酵時的相同，發(fā)酵溫度32，冷

39、卻水初水溫20，終水溫27，則 t=8可求得冷卻面積F：(4)罐壁厚的選擇 因L-纈氨酸發(fā)酵的pH在7.0，沒有什么腐蝕性，所以與發(fā)酵罐一樣，采用A3鋼制作壁厚與封頭厚度的計算:對于帶夾套的容器，應(yīng)該按外壓容器計算壁厚?？紤]到冷卻水壓力與容器內(nèi)壓力又不同是存在的情況，取水壓作為容器外壓。 公式：壁厚取10mm。查吳思方生物工程工廠設(shè)計概論附錄知，直徑為1.1m，壁厚10mm，高2.2m，每米高重約為：274kg，則G筒=274×2.2=602.8(kg)。封頭的厚度封，查吳思方生物工程工廠設(shè)計概論附錄表求得。 對于上封頭，查吳思方生物工程工廠設(shè)計概論附錄表18，取封=8mm，質(zhì)量G上

40、封=89.2kg。 對于下封頭，取封=10mm，質(zhì)量G下封=116kg。冷卻外套壁厚封： 根據(jù)下表，夾套直徑于筒體直徑關(guān)系為：D夾=D內(nèi)+100=1400mmD內(nèi)500-600700-18002000-3000D套D套+50D套+100D套+200查表13，確定外套壁厚套=5mm，夾套內(nèi)有導(dǎo)流板。外套封頭壁厚套封：查表20取套封=10mm，質(zhì)量G=116kg(5)接管設(shè)計進(jìn)風(fēng)管與進(jìn)料管是同一支管，為公用管。管底距罐底2560mm之間，取30mm向下單管。接管直徑的確定:按排料管計算：該罐實裝醪量2.47×0.7=1.73m3，設(shè)0.3h之內(nèi)排空，則物料體積流量 發(fā)酵醪流速取v=1m/

41、s;則排料管截面積為F物 管徑：取無縫管57x3.5mm，認(rèn)為合適。設(shè)計每個發(fā)酵罐有一個空氣除菌系統(tǒng)，壓縮空氣在0.4MPa下，支管氣速為2025m/s， 通風(fēng)比為取0.18wm20，0.1Mpa下，Q=1.73x0.18=0.32m3/min=0.0053m3/s計算到0.4Mpa，32狀態(tài)下， 取風(fēng)速v=20m/s，則風(fēng)管截面積Ff為： Ff=0.785d2氣，則氣管直徑d氣為： 取57x3.5mm無縫鋼管，則滿足工藝求。冷卻水管：由前面的計算知道 Q總=4.4×104（KJ/h)冷卻水水溫變化20-27，水的比熱容為4.18KJ/(Kg.K)耗水量W： 取水流速v=1m/s；則

42、冷卻管直徑為d=0.0232mm，查金屬材料表，取焊接管Dg=25mm可滿足生產(chǎn)要求；取冷卻管長度h=150mm (6) 支座選擇型對于20m3以上的發(fā)酵罐，應(yīng)該根據(jù)設(shè)備的估計總重量，選用合適的支座。2m3發(fā)酵罐總重估算： 1、圓筒重G筒=602.8(kg) 2、兩封頭重G封=89.2+116=205.2(kg) 3、最大裝液量：G液=2470(kg) 4、電機(jī)及附屬設(shè)備重G附=250(kg)則總量為：G筒+G封+G液+G附=3528(kg)現(xiàn)在取三只支座進(jìn)行計算，每只支座負(fù)荷為： 選取支座的允許負(fù)荷為2.5噸 ，則符合生產(chǎn)需要。支撐面積為444cm2。單重23.4kg。4.5 空氣分過濾器空

43、氣分過濾器的空罐氣速一般為：0.21.5m/s，通過濾層的氣速為：1.01.5m/s。4.5.1 種子罐分過濾器分過濾器濾層直徑計算： 式中 V通過發(fā)酵罐分過濾器的空氣流量（0.4MPa下） Vs通過分過濾器的氣速，現(xiàn)取0.2m/s則 分過濾器直徑：?，F(xiàn)取 ：查金屬材料表，選無縫鋼管，或用鋼板卷制。圓整倒推薦值：D過濾器=125mm分過濾器的壁厚：設(shè)計壓力P=0.5MPa，=0.7，=127MPa，C=0.2cm, 分過濾器高度：4.5.2發(fā)酵罐分過濾器與種子罐的計算過程相同，則可算出D濾層=0.29m，D過濾器=400mm，S=0.21cm,h筒=600mm,h錐=600mm。4.6發(fā)酵車間

44、設(shè)備一覽表 表4-1發(fā)酵車間設(shè)備一覽表位號設(shè)備名稱臺數(shù)規(guī)格與型號材料備注F303a-f發(fā)酵罐920m3A3鋼專業(yè)設(shè)備F302a-f二級種子罐92m3A3鋼專業(yè)設(shè)備F301a-fF101a F201a一級種子罐 糊化罐 糖化罐9110.2 m3A3鋼專業(yè)設(shè)備R301-311發(fā)酵罐分過濾器5290×600mmA3鋼專業(yè)設(shè)備R321-326種子罐分過濾器3125×187mmA3鋼專業(yè)設(shè)備 5 發(fā)酵車間熱量衡算5.1培養(yǎng)基滅菌升溫階段發(fā)酵罐實罐滅菌時升溫階段選用間接加熱方式，預(yù)先在發(fā)酵罐中加入發(fā)酵培養(yǎng)基，培養(yǎng)基原始溫度為25，間接加熱至90，最后采用直接加熱至121滅菌溫度。間接滅

45、菌蒸汽用量： Q蒸汽1=Q培養(yǎng)基×C培養(yǎng)基（T2-T1）（1+Q損）/I式中：Q培養(yǎng)基培養(yǎng)基的總量6438m3 C培養(yǎng)基為培養(yǎng)基比熱容，可取4.18KJ/(Kg.K) I為蒸汽的汽化潛熱，為2169 kJ/kg； Q損為加熱過程中散失的熱量，范圍：5%-15%，一般取10%。 T1 培養(yǎng)基開始加熱時的溫度25 T2培養(yǎng)基加熱結(jié)束時的溫度90則 Q蒸汽=6438×4.18（90-25）×（1+0.1）/2169=887（kg)直接滅菌蒸汽用量：計算公式與間接滅菌相同： Q蒸汽2=Q培養(yǎng)基×C培養(yǎng)基（T2-T1）（1+Q損）/IT2=121，T1=90。代入

46、上式得：Q蒸汽2=423（kg)5.2培養(yǎng)基滅菌保溫階段蒸汽量蒸汽從與培養(yǎng)基相接觸的管道連續(xù)進(jìn)入，從不與培養(yǎng)基相接觸的管道連續(xù)排出。保溫階段持續(xù)30min,該過程中蒸汽的消耗量為： 式中：F蒸汽排出口的總面積，取0.785×102=78.5（cm2) 蒸汽排出的時間（min) P罐內(nèi)的絕對壓力，取0.4MPa=4.1（kg/m.s2) V 加熱蒸汽比容，取0.613（m3/kg)由此可算出: 5.3減壓濃縮蒸汽用量初定容4m3，溫度小于50，濃縮終容在1.52m3則濃縮率為0.625，一年的發(fā)酵液量為8700m3，需要蒸發(fā)8700×0.625=5438m3。因為需要料液溫度

47、小于50，則所用的蒸汽為低溫蒸汽。50時，飽和蒸汽的汽化熱為：2380kJ/kg,蒸發(fā)液由32升至50，則需要蒸汽量為： 5438×4.18×（50-32）/2380=172(kg)5.4蒸汽總用量 為：887+423+172+7248=8730（kg) 6 發(fā)酵的水平衡計算 年水量衡算根據(jù)生產(chǎn)車間各方面的用水估算一天的用水量，再計算一年的用水量。6.1培養(yǎng)基用水每個發(fā)酵罐裝液量為15.82m3，共9個發(fā)酵罐，每年共有80個發(fā)酵周期，則用水量為：G1 =15.82×9×75 = 10678噸6.2發(fā)酵罐培養(yǎng)基滅菌后的冷卻用水估算設(shè)培養(yǎng)基的比熱容與水相同都為：4.18KJ/(Kg.K)冷卻過程中所需的冷卻水的量計算過程如下：其中：T1