课程设计报告课程名称：生物工艺原理题目：10kg/d SCP连续发酵恒化器装置的设计学院：生命科学与食品工程学院专业班级：XXXX学号：学生姓名：起讫日期：指导教师：XXX教授20XX 年 XX 月XX 日目录一、课程设计目的 (3)二、课程设计要求 (3)三、课程设计内容 (3)1、有关SCP的介绍 (3)1.1SCP概述 (3)1.2单细胞蛋白的含义及氨基酸组成 (3)1.3生产单细胞蛋白的原料 (4)1.4单细胞生产的特点 (4)2、有关恒化器介绍 (4)2.1恒化器设计原理 (4)2.2恒化器装置的基本要求 (5)3、发酵罐的设计计算 (5)3.1发酵罐的工作原理 (5)3.2发酵罐的主体结构 (5)3.3发酵罐的具体结构 (5)3.4工艺参数的计算 (7)四、简易工艺流程图 (8)五、发酵罐设备图 (9)六、课程设计心得体会 (9)七、参考文献 (9)一、课程设计目的（1）结合所学的生物工艺学的理论知识完成连续发酵恒化器课程设计；（2）通过该设计学会并掌握常用发酵装置参数的选择和调控方法；（3）提高自己综合分析问题和解决问题的能力。

二、课程设计要求（1）恒化器中的SCP含水量为80%；（2）细胞的比生长速率μ=0.45；（3）必须采用连续稳态恒化操作。

三、课程设计内容1、有关SCP的介绍1.1 SCP概述单细胞生物产生的细胞蛋白质称为单细胞蛋白(single cell protein简称SCP)，这一词是1966年在美国麻省理工学院命名的。

它所包含的产品有饲用酵母，食用酵母和药用酵母三大类。

单细胞蛋白是解决世界蛋白质不足的一个重要途径。

与用农牧业生产的蛋白质相比，它的生产占用土地甚少，投资较省。

它的营养丰富．售价亦较适宜，是良好的饲用和食用蛋白资源。

对于人多地少的我国来说，建立单细胞蛋白产业对改善人民食物构成和生物技术的开发，都具有重要的意义。

1.2 单细胞蛋白的含义及氨基酸组成单细胞蛋白是从酵母或细菌等微生物菌体中获取的蛋白质。

微生物细胞中含有丰富的蛋白质，例如酵母菌蛋白质含量占细胞干物质的45%～55%；细菌蛋白质占干物质的60%～80%；霉菌丝体蛋白质占干物质的30%～50%；单细胞藻类如小球藻等蛋白质占干物质的55%～60%，而作物中含蛋白质最高的是大豆，其蛋白质含量也不过是35%～40%。

单细胞蛋白的氨基酸组成不亚于动物蛋白质，如酵母菌体蛋白，其营养十分丰富，人体必需的8种氨基酸，除蛋氨酸外，它具备7 种，故有“人造肉”之称。

一般成人每天吃干酵母10～15g，蛋白质的需要量就足够了。

微生物细胞中除含有蛋白质外，还含有丰富的碳水化合物以及脂类、维生素、矿物质，因此单细胞蛋白营养价值很高。

1.3 生产单细胞蛋白的原料生产单细胞蛋白的原料种类很多，大体分为3类。

（1）工业废液类包括造纸废液、酒精废液、味精废液、淀粉废液、生产柠檬酸废液、糖蜜废液、木材水解废液、豆制品废液等。

（2）工农业糟渣类包括白酒糟、啤酒糟、果酒渣、醋糟、酱油糟、豆渣、粉渣、玉米淀粉渣、药渣、甜菜渣、甘蔗渣、果渣、饴糖渣等。

（3）化工产品类包括石油、石蜡、柴油、天然气、正烷烃、甲醇、乙醇、醋酸等。

除以上所介绍的外，农作物秸秆、批壳、饼粕类、畜禽粪便、有机垃圾、风化煤等也可作为原料生产单细胞蛋白。

1.4 单细胞蛋白的生产特点（1）原料来源广泛生产单细胞蛋白可利用工农业废弃物与下脚料、石油化工副产品等作为原料，既可变废为宝，又可获得高层次的综合经济效益，起到保护环境、减少农田及江河污染的作用。

（2）工业化生产与有关工业产品配套生产，不与粮食和牧草争地，不受季节和气候条件的限制。

同时，因单细胞生物的培养过程是生物学过程，所用菌种均安全无毒，不会引起环境污染。

（3）生产周期快、效率高在适宜条件下，细菌O.5～1h，酵母1～3h，微型藻2～6h即可增殖一倍。

单细胞生物合成蛋白质的速度比植物快数百倍，比动物快数千倍。

在良好培养条件下，接种100kg酵母菌种，一天之后可得2500kg干酵母，增长竞达25倍。

根据实际情况和经济方面的考虑，最终选择了酿酒酵母作为我们生产菌种，玉米淀粉渣作为菌种发酵所用的材料。

2、有关恒化器的介绍2.1 恒化器设计原理恒化器通过控制某一营养物浓度（如碳源、氮源、生长因子等），使其始终成为生长限制因子，而达到控制培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行连续生长繁殖。

当多种微生物在同一反应器中混合连续培养时，各种微生物竞争利用限制性基质，从而具有优势的微生物得以保留不具优势的微生物则被淘汰。

当某一种微生物在连续培养是发生变异，则原出发菌与变异菌之间发生竞争。

2.2 恒化器装置的基本要求（1）保证系统内的培养基和培养物不受污染；（2）新的培养基以可调控的速度逐滴加入培养罐，同时有相应数量的老培养液排出，保持培养物总量恒定；（3）培养罐内培养物应充分搅拌，保持均一，使流入的新培养基在瞬间即可均匀的分布到整个培养物中；（4）以某一营养成分为生长限制底物的液体培养基；（5）根据需要对温度、通气程度、培养物PH的监测和调节设相应的附加装置。

3、发酵罐的设计计算3.1 发酵罐的工作原理液体菌种在制种时在罐体内有两个过程：（1）首先要把培养基在罐体内加热到120℃左右并保温三个小时，主要目的是为了杀死培养基中的杂菌。

（2）加入菌种后，保持温度在28"C左右7-9天，待菌种完全长成菌丝球、培养基营养消耗殆尽后，就可接种菌丝接种。

3.2 发酵罐的主体结构发酵罐主要由内外两层罐体构成。

其中，外筒工作时加入水，下接有加热管和热电偶，可以把水加热并保持到预期的温度；内筒工作时从上加入培养基和菌种。

利用内层筒体进行传热虽然会降低热效率，但这样既可以防止培养基因达到沸点而沸腾起来，又可防止加热管直接加热到菌丝而造成菌体死亡。

3.3 发酵罐的具体结构3.3.1 外筒外筒是作为水的容器，对它的主要要求是有一定的强度和刚度，能够承受加热时产生的饱和蒸汽的压力而不破坏、能承受住容器和水的重力而不产生过大的变形。

这其中，强度是最主要的问题。

为了能够使容器能够减轻自重、便于制造、降低成本，采用了标准椭圆形封头。

内筒只有下端采用了封头，上端与外筒的上封头焊接在一起。

对于压力容器而言，这种焊接方式会产生巨大的附加应力，受力情况较差相当于旧式的无折边锥形封头和球面形封头。

但是由于内外筒工作中温度相关不大，物料相近。

所以内筒几乎不受力。

无需考虑强度闯题。

而内筒的材料应选择不锈钢。

因为内筒工作时接触菌种，如果有锈的话，会污染菌种。

3.3.3 液位计液位计的作用是观察外筒的水位高低，采用玻璃管式液位计即可。

3.3.4 加料口加料口与内简相连。

为了加入菌种时灭菌的效果，直径不能太大，且要求有良好的密封，故采用焊接短接管并加工外螺纹，上配以旋盖。

3.3.5 放气阀因为在加热过程中会有大量的水蒸汽产生从而使简内压力持续升高，物料的沸点也会随之上升造成过热，所以需要开启放气阀放气。

放气阀采用铜制或不锈钢制球阀，因为这样开、闭都比较迅速，而且不会生锈造成污染。

3.3.6 安全阀因为内筒的物料含有大量固体颗粒且在加热时易起泡，有可能会造成放气阀的堵塞，所以需要设置安全阀。

安全阀的开启压力设置在设计压力的1．05～1．1倍。

3.3.7 进气管酵母菌属于兼性厌氧性性生物，菌丝在进行物质代谢的同时伴随着能量代谢的进行。

所以在菌丝的整个生长过程中都应有一定的氧通气量。

有些物料的粘度不大，如果进行机械搅拌，效果不是很理想，而且搅拌器的会增加成本。

因此，发酵罐下设进气管，与小型空气压缩机相连，这样既起到搅拌的作用，又能输送新鲜空气。

但是，如果在菌丝生长过程中出现停电而使压缩机停转，则物料会从进气管回流，从而造成菌种与外界接触被污染。

因此，在进气管外，外接止回阀。

3.3.8 出料管由于罐体封闭，内部不易清洗，故出料管接于内筒的最下方，这样可以避免培养基残余在罐内滋生杂菌。

出料管排料时，由于发酵罐内部压力要大于外部压力，故而有很大的推动力。

但是，当罐内压力降低到一定程度时，推动力会几乎消失。

这时，生成的菌丝球很容易堵塞出料管上的阀门，故而，在出料管上适合采用球阀一类孔径较大的阀门。

3.3.9 搅拌系统发酵罐的搅拌系统多种多样,首要作用是发酵液通过搅拌流动,增加气液交换的机会以提高溶氧值,其次使发酵液充分混和,并使液体中的固形物料保持均匀的悬浮状态,有利于营养物质的吸收和代谢物的分散。

各类发酵罐的搅拌侧重不同,搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动,不同的叶桨所产生的液体流向差别很大。

为了使发酵液充分地被搅动,根据发酵罐的容积,在同一搅拌轴上常配置多个搅拌叶桨,三层搅拌桨是常用的方法。

3.4 工艺参数的计算根据设计要求可知：发酵罐中的一天可生产的SCP湿重＝10kg/(1-0.8)＝50kg故料液的流速F＝50kg/24h＝2.08kg/h在稳态条件下，dX/dt＝0,即uX＝DX由于稀释率D＝F/V，那么uX·V＝F＝2.08kg/h又因为细胞浓度要保持在20—50g/L，取细胞浓度为30g/L则Vp·Cc＝2.08/0.45(其中Vp是发酵液的体积，Cc是细胞浓度)综合以上数据求得Vp＝154.1L设定发酵液只占用发酵罐的体积的3/4，则发酵罐的体积为V＝Vp÷0.75＝205.5规定发酵罐的体积为 V实际＝200L四、简易工艺流程图五、发酵罐设备图○1加料口○2安全阀开口○3外筒○4内筒○5液位计接管口○6进气管○7出料管○8加热管热电偶○9机械搅拌器○10视镜○11中间轴承○12排气管开口六、课程设计心得体会一个礼拜的时间，我从图书馆找了三本有关发酵罐生产设计的资料书，从网上下载了10多份文献，再结合我们书本上的知识，算出了发酵罐的合适体积。

在这段时间里，我遇到过很多问题，我不明白要怎么去设计这个发酵罐，发酵罐的结构非常复杂，我一开始不知道如何写课程设计报告，通过参考很多文献，我对发酵罐的结构有了一定的了解，所以，我算出参数之后根据文献中的资料，因为这个装置非常负载，所以我只用画图软件画出了一个简要的发酵罐设备图。

通过这次课程设计，我了解到了微生物对发酵罐设备以及发酵液环境的高要求，微生物发酵在实际生活中应用非常广，与各个行业都有密切联系。

这次课程设计很好的使我把自己学到的理论知识结合于生产设计中，让我对连续培养、发酵罐结构、恒化器以及培养基配制有了更深的了解。

七、参考文献[1] 赵钢. 通用实验室生物发酵罐罐体及搅拌桨设计. 中国医学科学院医学生物学研究所，2002[2] 舒涛，钟佩思，张云新. 液体菌种发酵罐计算机辅助设计系统. 山东科技大学硕士学位论文，2005[3] 储炬,李友荣. 现代生物工艺学. 华东理工大学出版社，2007[4] 郑艳琳，王雪梅，吕濯缨. 双恒化器系统的最优设计. 山东科技大学科学技术与工程科学报. 2010。