课程设计课程名称:生物工程设备课程设计题目名称:100M3机械搅拌通风发酵罐班级:学号:姓名:指导老师：年月日大学课程设计任务书一、课程设计的内容机械搅拌发酵罐、气升式发酵罐、动植物细胞培养反应器，或者产品分离设备等的设计（任选一）。
机械搅拌发酵罐：25m3,50m3,75m3,100m3,125m3,150m3气升式发酵罐: 50m3,75m3,100m3,125m3,150m3,200m3气升式光生物反应器：15升，30升，50升。
该设备可以用于发酵生产以下产品：PHA，谷氨酸，柠檬酸，淀粉酶，糖化酶，抗生素，抗体及紫草细胞等（任选一）。
也可以进行相应分离设备的设计。
根据设备所担负的工艺操作任务和工作性质，确定工作参数；容积的计算，主要尺寸的确定，传热方式的选择及传热面积的确定；动力消耗、设备结构的工艺设计。
二、课程设计的要求与数据课程设计的规模不同，其具体的设计项目也有所差别，但其基本内容是大体相同，主要基本内容及要求如下：1）人员分组及分工建议以4－6人一小组，每组题目略有不同，每组完成全部设备工艺设计，每人应当完成一个主体设备的工艺及结构设计，若干典型辅助设备选型设计。
2）工艺设计和计算根据选定的方案和规定的任务进行物料衡算，热量衡算，主体设备工艺尺寸计算和简单的机械设计计算，汇总工艺计算结果。
3）设计说明书的编制设计说明书应包括设计任务书，目录、前言、设计方案论述，工艺设计和计算，设计结果汇总、符号说明，设计结果的自我总结评价和参考资料等。
绘制设备图一张。
设备图采用工程制图或计算机AUTOCAD绘制。
简装图应标明设备的主要结构与尺寸。
三、课程设计应完成的工作1．课程设计说明书（纸质版和电子版）各1份2．设备装配图（A2号图纸420*594mm）1张四、课程设计进程安排五、应收集的资料及主要参考文献1、梁世中.生物工程设备.北京，中国轻工业出版社，20042、徐清华.生物工程设备.北京，科学出版社，20063、贾士儒.生物反应工程原理.北京，科学出版社，20034、陈宁. 氨基酸工艺学. 北京，中国轻工业出版社，20065、熊昌绪．发酵调味品工艺学．乌鲁木齐：新疆科技卫生出版社，19946、姚汝华.微生物工程工艺原理.广州：华南理工大学出版社，19967、俞俊棠，唐孝宣，邬行彦等.新编生物工艺学.北京：化学工业出版社，20038、金其荣，张继民，徐勤.有机酸发酵工艺学.北京：轻工业出版社，19899、章克昌.酒精与蒸馏酒工艺学.北京：中国轻工业出版社，200210、管敦仪.啤酒工业手册.北京：轻工业出版社，198611、化学工程手册.北京，化学工业出版社，198912、化工设备设计手册（2，金属设备）.上海，上海人民出版社，197513、化工制图.北京，人民教育出版社，198014、发酵设备.北京，中国轻工业出版社，1991目录1.前言 62.设计基本依据 62.1柠檬酸的用途 62.2柠檬酸的发酵方法 63.工艺设计73.1 夹套反应釜的总体结构73.2设备结构及主要尺寸的确定 73.3搅拌功率计算与电机的选择 83.4传热面积及冷却水用量的计算 84.设备设计114.1罐体壁厚 114.2封头壁厚 114.3搅拌器设计 124.4入孔和视镜 125.对本设计的小结136.参考文献147.设计图纸1.前言通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐步认识到发酵工业过程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，按照化学工程的模式来处理发酵工业生产（特别是大规模生产）的问题，往往难以收到预期的效果。
从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思维，微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。
于是，追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核（微生物），返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。
发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。
生物反应工程与设备课程设计是生物工程专业一个重要的、综合性的实践教学环节，要求我们综合运用所学知识如生化反应工程与生物工程设备课程来解决生化工程实际问题，对培养我们全面的理论知识与工程素养，健全合理的知识结构具有重要作用。
一个优良的生物反应器应具有良好的传质传热和混合的性能；结构严密，内壁光滑，易清洗，检修维护方便；有可靠的检测及控制仪表；搅拌及通气所消耗的动力要少；能获得最大的生产效率与最佳的经济效益。
通常将进行大规模悬浮培养微生物的反应器统称为发酵罐。
2.设计基本依据：2.1柠檬酸的用途用于香料或作为饮料的酸化剂，在食品和医学上用作多价螯合剂，也是化学中间体。
柠檬酸与钙离子结合则成可溶性络合物，能缓解钙离子促使血液凝固的作用，可预防和治疗高血压和心肌梗死，所以可以起抗凝血作用，柠檬酸钠和草酸钠被称为抗凝血剂。
柠檬酸促进脂肪分解，快速实现减肥。
2.2柠檬酸的发酵方法发酵有固态发酵、液态浅盘发酵和深层发酵 3种方法。
固态发酵是以薯干粉、淀粉粕以及含淀粉的农副产品为原料，配好培养基后，在常压下蒸煮，冷却至接种温度，接入种曲，装入曲盘，在一定温度和湿度条件下发酵。
液态浅盘发酵多以糖蜜为原料，其生产方法是将灭菌的培养液通过管道转入一个个发酵盘中，接入菌种，待菌体繁殖形成菌膜后添加糖液发酵。
发酵时要求在发酵室内通入无菌空气。
深层发酵生产柠檬酸的主体设备是发酵罐。
微生物在这个密闭容器内繁殖与发酵。
种为产黑曲霉（Aspergillus niger ）。
本设计使用黑曲霉CO827。
3.工艺设计3.1夹套反应釜的总体结构夹套反应釜主要由搅拌容器，搅拌装置，传动装置，轴封装置，支座，人孔，工艺接管和一些附件组成。
搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺设计而定；传动装置是为为带动搅拌装置设置的，主要由电机，减速器，联轴器和传动轴等组成；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座，人孔，工艺接管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。
3.2设备结构及其主要尺寸根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=1.7～3，则取H/D ＝2.5。
初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（100m3） 设备结构及主要尺寸的确定（D 、H 、HL 、V 、VL 、Di 等）。
H/D=1.7～3,取H/D=2.532013.04D h H D V b ++=π=1003mbh 取25mm D =3.6m H =9m查《有机酸生产与应用手册》，由发酵罐公称直径可得封头尺寸如下公称直径D 曲面直度ha 直边高度hb 内表面Af 容积Vf3.6m0.90m0.05m14.62m6.623m已知31~21=D d 取搅拌器直径d=0.4D=1.44m ，圆整到1.5m 已知121~81=D W ,取挡板宽度W=101D=0.36m ，圆整到0.4m 已知0.1~8.0=d B，取下搅拌器距底间距B=1.0d=1.5m 已知5.2~5.1=d S, 取两搅拌器间距S=1.6d=2.4m 3213.04D h D V b b +=π（bh 取25mm ）326.313.0025.06.34⨯+⨯⨯=πb V =6.323m发酵液的圆柱体积V 柱=151/3－6.32=44.683m发酵液的柱体高h= =⨯2)2(68.44D π 4.4m假设用两层搅拌器，所以上搅拌器距离液面距离S1=4.4－2.4=2.0m 检验：S1/d=2.0/1.5=1.333在1~2范围内。
3.3搅拌轴的轴功率计算与选择据《化工工艺设计手册》查得，所选用的搅拌器轴功率为110kW 搅拌轴转速为100r/min.3.4传热面积及冷却水用量的计算以一个发酵罐为单位计算，每个发酵罐料液为51t = 5.1⨯410kg选用发酵罐的传热总面积为：F=筒身面积 + 封头面积 =DH π+14.6 =3.14×3.6×9+14.6=116.342m已知G=1000×51=51000kg ，1t =25℃，2t =121℃，c=4.2kJ/(kg·℃)，s t=158℃，查表得r=2087.1。
灭菌过程中需要把温度从25℃升至121℃，并保温20分钟，则需要能量为：t cm Q ∆==4.2×5.1×104×（121﹣25）= 2.01×710kJ夹套平均传热系数K=830～1250 kJ/(⋅⋅h m 2℃)，取K=1250kJ/(⋅⋅h m 2℃)，则加热所需时间τ为：τ= 21ln t t t t KF Gc s s -- =12115825158ln 99.9512502.451000--⨯⨯⨯ = 2.3h加热段所需蒸汽量S ：（设加热时蒸汽热损失为5%）t r t t Gc S 35.10)05.01(1.2087)25121(2.451000)1()(12=+⨯-⨯⨯=+-=η15821==T T ℃, 251=t ℃, 1212=t ℃, 03.75ln)()(21122112=-----=∆t T t T t T t T t m ℃3.203.7512501001.27⨯⨯⨯=∆=τm t K Q A =93.182m ＜116.342m 符合设计要求保温阶段：（保温时间为20min = 1/3 h ）经验计算S=（30%～50%）×直接加热蒸汽消耗量 = 0.35×10.35t =3.62t 蒸汽总用量：3.62 + 10.35 = 13.97t 冷凝水用量 冷却要求：冷却水st 2=27℃将料液从st 1=121℃降至发酵温度ft 1=35℃冷凝水和料液比热：==21c c 4.2kJ/(kg·℃)冷却水流量2121/2t t t t e A sWc KF --== = 3512127121--=1.09=⨯⨯== 4.2).0995.99/(ln11250)/(ln 2Ac KF W 331.51t/h=--⨯⨯=---=273527121ln 09.009.151.33151ln 1212121s f s s t t t t A A Wc Gc τ 4.6hτ–冷却所用时间，hW –冷却水用量，kg/h1c -料液的比热容2c -冷凝水的比热容 s t 1-料液冷却前的温度 ft 1-料液冷却后的温度 s t 2-冷凝水进口温度 st 2-冷凝水进口温度1t -料液冷却过程中某时刻的温度 2t -对应料液1t 温度时冷凝水出口温度G –料液质量，tK –平均传热系数，1250kJ/(kg·℃) F –传热系数 验算传热面积：冷却释放热量：t cm Q ∆==4.2×5.1×410×（121-35）= 1.84×710kg1211=T ℃, 352=T ℃，271=t ℃, 322=t ℃, 62.33ln)()(21122112=-----=∆t T t T t T t T t m ℃冷去面积：=⨯⨯⨯=∆=6.462.3312501084.17τm t K Q A 95.22m 取整100m2 冷却管总长度：L ＝d πA ＝8.004.13100⨯＝398.09m 取整L 为400m分为20组，每组长L 0＝20m管内径：d ＝外径－壁厚 取φ57×3.5mm （径取50－80mm ，壁厚取3.5－5mm ）每圈冷却管长度：9.42l m===D －管圈直径，3mhp －管圈之间的距离，取0.15m每组管圈数：Np ＝l Lo＝20/9.42＝2.12≈3圈总圈数为：3×20=60圈冷却管总高度：H ＝(Np －1)hp ＝(60－1)×0.15＝8.85m4.设备设计罐体：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。