2m3谷氨酸发酵罐设计Word版.docx
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2m3谷氨酸发酵罐设计Word版
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2m3产谷氨酸发酵罐的设计
专业班级2009级生物工程
(1)班
学号200915022009150120091483
学生姓名唐盼阙素云周婷
指导教师常军博士
2011年10月31日
一、设计方案的确定
1.1谷氨酸的生产工艺流程
谷氨酸的生产主要包括以下工作:
谷氨酸发酵的原料处理和培养基的配制;
子培养;发酵工艺条件的控制;谷氨酸提取;谷氨酸的精制。
发酵法生产谷氨酸的工艺流程如下:
斜面
淀粉酶
空气
水解
硫酸盐
玉米浆
镁盐等
调和
摇瓶种子
中和
空气净化系统
调pH
压滤
种子罐
预热
发酵罐
尿素储罐
连消
等电点沉淀
粗谷氨酸
图1谷氨酸生产工艺流程图
1.2生产原料
谷氨酸生产时发酵原料的选择原则:
首先考虑菌体生长繁殖的营养;考虑到有利于谷氨酸的大量积累;还要考虑原料丰富,价格便宜;发酵周期短,产品易提取等因素。
目前谷氨酸生产上多采用尿素为氮源,采用分批流加,以生物素为生长因子。
国内大多数厂家用淀粉为发酵原料,主要有玉米、小麦、甘薯、大米等,其中甘薯的淀粉最为常用。
少数厂家用糖蜜为发酵原料,主要有甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。
1.3发酵菌株
现有谷氨酸生产菌分属于棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属。
目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。
目前国内各味精厂所使用的谷氨酸生产菌主要有
(1)纯齿棒状杆菌AS1.542及其诱变株B9、B9-17-36、F-263等菌株;
(2)天津短杆菌T613及其诱变株FM-415、CMTC6282、S9114等菌株;(3)北京棒杆菌AS1.229及其诱变株D110等菌株。
本实验选择北京棒杆菌AS1.229。
1.4培养基的制备
培养过程:
斜面培养一级种子培养二级种子培养发酵罐
(1)斜面培养基:
葡萄糖0.1%、牛肉膏0.5%、蛋白胨1.0%、氯化钠0.5%、琼脂2.0%、pH7.0~7.2。
(2)一级种子培养基:
葡萄糖2.5%、尿素0.6%、KH2PO40.1%、MgSO4•7H2O0.04%、玉米浆2.3~3.0ml、pH7.0。
(3)二级种子培养基:
水解糖12~14%、尿素0.5~0.8%、玉米浆0.5~0.6ml、KH2PO40.1~0.2%、MgSO4•7H2O0.04%、pH7.0。
(4)发酵培养基:
水解糖12~14、尿素0.5~0.8%、玉米浆0.6ml、MgSO4•7H2O0.06%、KCl0.05%、Na2HPO40.17%、pH7.0。
二、发酵罐主体设计计算
2.1发酵罐主要条件及主要技术指标
根据常识,一个良好的发酵罐应满足下列要求:
①结构严密,经得起蒸汽的反复灭菌,内壁光滑,耐腐性好,以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响;②有良好的气-液-固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能;③在保持生物反应要求的前提下,降低能耗;④有良好的热量交换性能,以维持生物反应最是温度;⑤有可行的管道比例和仪表控制,适用于灭菌操作和自动化控制。
表1发酵罐主要设计条件
项目及代号
参数及结果
备注
发酵产品
谷氨酸
由任务书确定
工作压力
0.4MPa
由任务书确定
设计压力
0.4MPa
由任务书确定
发酵温度(工作温度)
32℃
根据任务书选取
设计温度
150℃
由工艺条件确定
冷却方式
夹套冷却
由工艺条件确定
发酵液密度
由工艺条件确定
发酵液黏度
由工艺条件确定
2.2罐体选型、几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸的设计计算
2.2.1发酵罐的选型
选用机械搅拌通风发酵罐
2.2.2发酵罐容积的确定
根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸;高径比H/D=2.5,则H=2.5D
初步选用公称容积为2m3酵罐。
公称体积V-罐的筒身(圆柱)体积和底封头体积之和
全体积V0-公称体积和上封头体积之和。
封头体积
设,根据设计条件发酵罐的公称体积为2m3;
罐体直径D=1055.31mm,取整为1100mm;
罐体总高度H=2.5D=2.5×1100mm=2750mm;
查阅文献[5],当公称直径D=1100mm时,标准椭圆封头的曲面高度ha=275mm,直边高度hb=25mm,总深度为Hf=300mm,内表面积,容积。
则此时,与前面的假设相近,故可认为D=1100mm是合适的。
发酵罐的全体积:
2.2.3发酵罐装液量的确定
设计发酵罐装料系数:
取70%
发酵罐装料液体积:
=公称容积×装料系数=2×70%=1.4
2.3冷却装置的设计
因发酵罐容积小于5m3,故可以采用夹套冷却
Ⅰ发酵产生的总热量:
Ⅱ夹套传热系数:
现取K=4.18×220kJ/(m2·h·℃)
Ⅲ平均温差:
发酵温度t=32℃;水初温20~23℃,取t1=23℃;水终温t2=27℃,则
平均温差:
Ⅳ需冷却面积F:
Ⅴ核算夹套冷却面积:
按静止液深确定夹套高度
静止液体浸没筒体高度:
液深:
夹套可能实现的冷却面积为封头表标面积S封与圆筒被液体浸没的筒体为表面积S筒之和:
夹套高度应不高于动态时的液面高度,因高于液面的传热面积,并没有起多少冷却作用。
综上,传热需要的面积F=5.6m2
该设计夹套能提供的冷却面积为S夹=5.78m2,S夹>F,可满足工艺要求。
2.4罐体选料
考虑压力,温度,腐蚀因素,选择罐体材料和封头材料,封头结构、与罐体连接方式。
因糖化酶是偏酸性(pH值为4.5),对罐体不会有太大腐蚀,所以罐体和封头都使用16MnR钢为材料,封头设计为标准椭圆封头,因D>500mm,所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。
2.4.1罐体壁厚
对于带夹套的容器,应该按外牙容器计算壁厚。
考虑到冷却水压力与容器内压力又不同时存在的情况,取水压作为容器外压。
S==,取整5mm。
D-罐体直径(mm)
P-耐受压强(取0.4MPa)
φ-焊缝系数,双面焊取0.8
[σ]-设计温度下的许用应力(kg∙f/cm2)(16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃,170MPa)
C-腐蚀裕度,
式中C1——钢板负偏差,现取C1=0.8mm
C2——为腐蚀余量,现取C2=2mm
C3——加工减薄量,现取C3=0.2mm
2.4.2封头壁厚计算
,取整为7mm。
D-罐体直径(mm);P-耐受压强(取0.4MPa);
y-开孔系数,取2.3;φ-焊缝系数,双面焊取0.8;
[σ]-设计温度下的许用应力(16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃,170MPa)。
2.4.3夹套直径
夹套直径与筒体直径的关系为:
2.5挡板的设计
根据全挡板条件:
式中B-挡板宽度B=0.1D=0.1×1100=110(mm)
D-罐径D=1100mm
Z-挡板数:
块,取Z=6块。
2.6搅拌器的设计
采用六弯叶涡轮式搅拌器。
2.6.1搅拌器的计算
直径:
叶片宽度:
弧长:
盘径:
叶弦长:
搅拌器间距:
底距:
表2 2m3发酵罐的几何尺寸
项目及代号
参数及结果
备注
公称体积(m3)
2
设计条件
全体积(m3)
2.44
计算
罐体直径(mm)
1100
计算
发酵罐总高(mm)
2750
计算
发酵罐筒体高度(mm)
2150
计算
搅拌叶直径(mm)
360
计算
椭圆封头短半轴长(mm)
275
计算
椭圆封头直边高度(mm)
25
计算
底搅拌叶至封头高(mm)
360
计算
搅拌叶间距(mm)
1100
计算
取两档搅拌,搅拌器转速N2,根据50m3罐,110r/min,搅拌器直径D1=1.05m,使用P0/V为基准缩小,求得:
2.6.2搅拌轴功率的计算
通风搅拌发酵罐搅拌轴功率的计算有很多种方法,现在用迈凯尔式求搅拌轴功率,并由此选择电机。
淀粉水解糖液低浓度细菌醪,可视为牛顿流体,计算步骤如下:
Ⅰ计算Rem
式中:
D——搅拌器直径,D=0.36m
N——搅拌器转速,
ρ——醪液密度,ρ=1080kg/m3
μ——醪液粘度,μ=2×10-3N·s/m2
将数代入上式:
视为湍流,则搅拌功率准数Np=4.7,根据参考文献[8]得。
Ⅱ计算不通气时的搅拌轴功率
式中:
Np——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7
N——搅拌转速,N=3.73r/s
Di——搅拌器直径,Di=0.36m
ρ——醪液密度,ρ=1080kg/m3代入上式:
两挡搅拌
Ⅲ通气搅拌功率Pg的计算
式中:
P0-多层搅拌输入的功率(kW)
N-搅拌转速(r/min),取224r/min
-搅拌器直径(m),0.36m
Q—通风量(ml/min),设通风比VVm=0.11~0.18,现取0.18;
则:
Q=1.4×0.18=0.252(m3/min)
故:
Ⅳ求电机功率
采用三角带传动η1=0.92;滚动轴承η2=0.99,滑动轴承η3=0.98;端面密封增加功率为1%;代入公式数值得:
搅拌轴直径,n为转速(单位为转/分),系数A可以取97-149,
取,已知,则得
根据文献选轴径为20mm。
表3发酵罐搅拌功率的设计计算结果
项目及代号
参数及结果
备注
转速
224r/min
计算
不通气条件下的轴功率
1.6kW
计算
两层搅拌器轴率
3.2kW
计算
通气量
0.252m3/min
由工艺条件确定
通气搅拌功率
0.21kW
计算
电机的功率
0.24kW
计算
电机的选择
型号Y80M1-2
功率0.75kW
转速2825r/min
效率75%
根据参考文献[7]选取
轴径
20mm
根据参考文献[7]选取
传动装置
三角皮带
根据参考文献[7]选取
2.7管道设计
2.7.1通风管管径计算
设罐压0.4MPa,发酵温度t=32℃,风速v=20m/s,通风量为0.18VVm,常压下t0=20℃,送风量V为:
将通风换算成工作状态,求通风管直径d1
,取整9mm。
采用无缝钢管,管径Φ12×1.5mm,内径为9mm,可满足生产要求。
2.7.2进出物料管
该管为物料进口,按输送物料算:
20min送完1.4m3物料,则物料流量为
管道截面为F,物料流速为v=0.5~1m/s,现取v=1m/s,则:
管径为:
采用无缝钢管,管径采用Φ48×4mm,内径40mm大于39mm,可满足生产要求。
2.7.3冷却水进出口管径
由前知需冷却热量,冷却水温变化23℃~27℃,水比热容:
,则耗水量W为:
取水流速v=4m/s;则冷却水管进出口直径为:
2.7.4管道接口(采用法兰接口)
进料口:
直径Φ48×4mm,开在封头上;
排料口:
Φ48×4mm,开在罐底;
进气口:
Φ12×1.5mm,开在封头上;
排气口:
Φ12×1.5mm,开在封头上;
冷却
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