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 日目录一、设计方案的确定1谷氨酸的生产工艺流程1生产原料1发酵菌株1培养基的制备2二、发酵罐主体设计计算2发酵罐主要条件及主要技术指标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3发酵罐的选型3发酵罐容积的确定 3发酵罐装液量的确定3冷却装置的设计3罐体选料4罐体壁厚4封头壁厚计算5夹套直径5挡板的设计5搅拌器的设计5搅拌器的计算5搅拌轴功率的计算 6管道设计8通风管管径计算8进出物料管8冷却水进出口管径 8管道接口8仪表接口8三、其他附件选型9四、附录及图纸10附录1计算结果汇总表10附录2计算结果汇总表10五、总结11六、参考文献及资料12一、设计方案的确定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：图1 谷氨酸生产工艺流程图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。
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）纯齿棒状杆菌及其（2）天津短杆菌T613及其诱变株FM-415、CMTC6282、诱变株B9、B9-17-36、F-263等菌株；S9114等菌株；（3）北京棒杆菌及其诱变株D110等菌株。
本实验选择北京棒杆菌。
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%、牛肉膏%、蛋白胨%、氯化钠%、琼脂%、~。
（2）一级种子培养基：葡萄糖%、尿素%、KH2PO4 %、MgSO4•7H2O %、玉米浆~、。
（3）二级种子培养基：水解糖12~14%、尿素~%、玉米浆~、KH2PO4 ~%、MgSO4•7H2O %、。
（4）发酵培养基：水解糖12~14、尿素~%、玉米浆、MgSO4•7H2O %、KCl %、Na2HPO4 %、。
二、发酵罐主体设计计算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由任务书确定设计压力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 3m /kg 1080=ρ由工艺条件确定 发酵液黏度23m /s N 100.2⋅⨯=μ-由工艺条件确定罐体选型、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=，则H= 初步选用公称容积为2m 3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 V 0－公称体积和上封头体积之和。
封头体积设2/0=D H ，根据设计条件发酵罐的公称体积为2m 3；罐体直径D=，取整为1100mm ； 罐体总高度H==×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h a =275mm ，直边高度h b =25mm ，总深度为H f =300mm ，内表面积2m 398.1S =封，容积3f m 198.0V =。
则此时9546.11100/2150D /H 0==，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：1v =公称容积×装料系数=2×70%=3m 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：()h /kJ 105.3%072600018.4Q 4⨯=⨯⨯⨯=总m m21506002750H 2H H f 0=-=-=32b 020m 44.2)]1.161025.0(215.2[1.14)]D 61h (2H [D 4V =⨯+⨯+⨯⨯π=++π=302D24H D 4V π+π=Ⅱ 夹套传热系数：()()℃⋅⋅⨯=h m /kJ 250~15018.4K 2现取K=×220kJ/（m 2·h·℃） Ⅲ 平均温差：发酵温度t=32℃；水初温20~23℃，取t 1=23℃；水终温t 2=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=该设计夹套能提供的冷却面积为S 夹= m 2， S 夹>F ，可满足工艺要求。
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），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 φ－焊缝系数，双面焊取[σ ]－设计温度下的许用应力（kg∙f/c m 2）（16MnR 钢焊接压力容器许用应力为150℃，℃8.627322332ln27322332t t t t ln )t t ()t t (t 2121m =--+--=-----=∆24m m 6.58.622018.4105.3t K Q F =⨯⨯⨯=∆=总()m 27.11.10.7850.198-1.4S V V H 2f 0=⨯=-=罐醪mm 57012701300H H H 0L =+=+=封20m 78.5398.172.11.114.3S DH S S S =+⨯⨯=+π=+=封封筒夹mm62.434.08.0170211004.0=+-⨯⨯⨯C 2PD +ϕσ〕〔170MPa ）C －腐蚀裕度，321C C C C ++= 式中 C 1——钢板负偏差，现取C 1= C 2——为腐蚀余量，现取C 2=2mmC 3——加工减薄量，现取C 3=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；y －开孔系数，取 ； φ－焊缝系数，双面焊取； [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：mm 1200100D D =+=夹 挡板的设计根据全挡板条件：式中 B －挡板宽度 B==×1100=110(mm) D －罐径D=1100mm Z －挡板数：块，取Z=6块。
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：m m 36011003/1D 3/1D i =⨯== 叶片宽度： 弧长：盘径：叶弦长：搅拌器间距：底距：m m 1083603.0D 3.0h i =⨯==m m 135360375.0D 375.0r i =⨯==m m 27036075.0D 75.0d i i =⨯==m m9036025.0D 25.0L i =⨯==m m 1100D D 3Y i ===m m 360D C i ==m m 72.638.017023.211004.0C ][2PDy S 2=+⨯⨯⨯⨯=+ϕσ=5.0Z DB=⋅511011005.0B D 5.0Z =⨯=⨯=mm 32.028.0C =++=表2 2m 3发酵罐的几何尺寸项目及代号 参数及结果 备注公称体积（m 3） 2 设计条件全体积（m 3） 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N 2，根据50m 3罐，110r/min ，搅拌器直径D 1=，使用P 0/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Re m式中：D ——搅拌器直径，D= N ——搅拌器转速，ρ——醪液密度，ρ=1080 kg/m 3 μ——醪液粘度， μ=2×10-3N·s/m 2 将数代入上式：视为湍流，则搅拌功率准数N p =，根据参考文献[8]得。
Ⅱ 计算不通气时的搅拌轴功率ρ5i 3P 0D N N P =式中：N p ——在湍流搅拌状态时其值为常数N ——搅拌转速，N=s D i ——搅拌器直径，D i = ρ——醪液密度，ρ=1080kg/m 3 代入上式： kW 60.1108036.073.37.4P 53'0=⨯⨯⨯=()min /r 2243601050110D D N N 3/23/2i 112=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=()s /r 73.360224N ==μρN D Re 2m =4532m 10106.2102108073.336.0Re ＞⨯=⨯⨯⨯=-两挡搅拌kW 2.36.12P 2P '00=⨯==Ⅲ通气搅拌功率Pg 的计算式中：P 0－多层搅拌输入的功率（kW ）N －搅拌转速（r/min ），取224 r/miniD －搅拌器直径（m ），Q —通风量（ml/min ），设通风比VV m =~，现取； 则：Q=×=（m 3/min ） 故：Ⅳ 求电机功率采用三角带传动η1=；滚动轴承η2=，滑动轴承η3=；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：搅拌轴直径1/3(/)d A Pn =⨯，n 为转速（单位为转/分），系数A 可以取97-149， 取120A =，已知m in r 224n kW 24.0P ==，，则得根据文献选轴径为20mm 。