设计50M3机械通风发酵罐，应用基因工程菌株发酵生产柠檬酸，产物是初级代谢产物，牛顿型流体，二级发酵。

发酵罐高径比为，生产场地为南方某地，蛇管冷却，初始水温：18℃，出水温度26℃。

1.设计方案的拟定我设计的是一台50M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产柠檬酸。

经查阅资料[1]，得知生产链霉素的菌种有黑曲霉、温氏曲霉、梨形毛霉、淡黄青霉、二歧拟青霉、棒曲霉、泡盛曲霉、芬曲霉、丁二烯酸曲霉、斋藤曲霉及宇佐美曲霉、绿色目霉、黑粉霉等，综合生产能力、菌种稳定性、传统经验等因素选择黑曲霉，该菌种最适发酵温度为30℃，pH为2-3，培养基为蔗糖发酵培养基，主要由蔗糖、硝酸铵、盐酸和水合硫酸镁等所组成。

发酵罐主要由罐体、封头、冷却蛇管、搅拌装置、传动装置、轴封装置、人孔和其它的一些附件组成。

这次设计就是要对机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸进行计算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、罐体和封头的壁厚；根据发酵微生物产生的发酵热、发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷却装置的设计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一些附件的确定,完成整个装备图，完成这次设计。

这次设计包括一套图样，主要是装配图，还有一份说明书。

而绘制装配图是生物工程设备的机械设计核心内容，绘制装配图要有合理的选择基本视图和各种表达方式，有合理的选择比例，大小，和合理的安排幅面。

说明书就是要写清楚设计的思路和步骤，把整个设计的运算过程和相应的表格列明。

表1-1 发酵罐主要设计条件步骤项目及代号参数及结果备注1发酵菌种黑曲霉2工作压力3设计压力4发酵温度30C5设计温度150C6冷却方式蛇管冷却7培养基蔗糖发酵培养基8工作pH 2—39设定pH 3 根据参考文献【1】选取由工艺条件确定由工艺条件确定根据参考文献【1】选取由工艺条件确定由工艺条件确定根据参考文献【1】选取由工艺条件确定由工艺条件确定2 罐体几何尺寸的确定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。

2. 2 几何尺寸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=初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（503m）公称体积V －－罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和可得罐体直径D2879mm，取整D=2900mm，H==8120mm根据直径D查文献资料[7]可得封头总高度765mm，封头体积，H=8120-765×2=6590mm，由此可得Di= 1/3D= 1/3×2900= 取整970mmB = =×2900=290mmS = 3Di=3×970=2910mmC = Di=970mmHa==×2900=725mmHb=765-725=40mmhb－椭圆封头的直边高度C －底搅拌叶至底封头高度Di －搅拌叶直径D－罐体直径Ho －罐体直筒部位高度B－挡板宽度ha －椭圆封头短半轴长度S －搅拌叶间距公称容 筒体高度 筒体直 换热面 转速 电机功 量 3m H （mm ） 径 mm 积 2m r/min 率 kw 10 3200 1800 12 150 21 4700 2200 21 154 30 30 6600 2400 34 180 45 50 7000 2800--3000 38-60 160 55 60 8000 3000--3200 65 160 65 75 8000 3200 84 165 100 100 9400 3600 114 170 130 200 11500 4600 221 142 215表2-2 50m 3发酵罐的几何尺寸步骤 项目及代号 参数及计算结果 备注表2-1大中型发酵罐技术参数4 H 8120mm5 H 0 6190mm6 B 290mm7 S 2910mm8 C 970mm9 H a 725mm 10 H b 40mm罐体主要部件尺寸的设计计算2.3.1 罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式因柠檬酸呈酸性（pH 值为2-3），对金属罐体很容易腐蚀腐蚀，所以罐体和封头都使用16MnR 钢，内涂环氧树脂防腐，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。

2.3.2 罐体壁厚D －罐体直径（mm ） p －耐受压强 (取φ － 焊缝系数，双面焊取，无缝焊取[σ ] －[σ ] －设计温度下的许用应力（kgf/c 2m ）（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa ）C －腐蚀裕度，当δ －C<10mm 时，C ＝3mm2.3.3 封头壁厚计算D －罐体直径（mm ） p －耐受压强 (取 y －开孔系数，取10.252900()3 6.3()221370.80.25pD C mm mm p20.252900 2.3()310.6()221370.8pDyC mm mmφ － 焊缝系数，双面焊取，无缝焊取[σ ] －设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃，137MPa ） C －腐蚀裕度，当δ －C<10mm 时，C ＝3mm 、挡板挡板宽度b 取，装设4~6块即可满足全挡板条件。

根据下式计算挡板数n ：0.10.5b D n n D D由此可得n=5 式中 b ——挡板宽度，mm ； D ——罐内径，mm ； n ——挡板数，mm 。

搅拌器采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类和搅拌器层数，根据d 确定h 和b 的值尺寸：六弯叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大；查阅文献[3]可知503m 发酵罐采用6-6-6箭叶式搅拌叶 叶径: d=1000mm盘径: di= 13/20d=13/20×1000=650mm 叶高: h = 20d =20×1000=175mm 叶长: b = d=×1000=250mm人孔和视镜人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。

本次设计只设置了1个人孔，标准号为： HG21520－1995 人孔（R ·A －2707） ，直径为 600mm ，高度为260mm ，开在顶封头上，左边轴线位于离中心轴1000mm 处视镜用于观察发酵罐内部的情况。

本次设计只设置了2个视镜，标准号为Ⅱ，DN100A HG21505-1992直径为DN150mm ，高度为52mm ，开在顶封头上，位于俯视面左下45度和右上45度距离中心轴线1200mm 处接口管2.7.1 管道接口：（采用法兰接口）进料口：法兰型号为 DN150,接口管规格 159×，开在封头上。

排料口：法兰型号为 DN200,接口管规格 209×，开在罐底。

进气口：法兰型号为 DN150,接口管规格 159×，开在封头上。

排气口：法兰型号为 DN150,接口管规格 159×，，开在封头上冷却水进、出口： 89×4mm，开在罐身；补料口：法兰型号为 DN150,接口管规格 159×，开在封头上。

取样口：法兰型号 DN65,接口管规格，开在封头上。

2.7.2 仪表接口：温度计：DN32mm压力表：DN25mm液位计：采用标准：51368HG 型号：R-61直径： 550（260 14）mm ，开在罐身上；溶氧探头：TN-2509pH探头：YP-100A表2-3 发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果步骤项目及代号参数及结果备注13 排气口 Ф159× 14 补料口 Ф159× 15 取样口 DN65mm 16 温度计 DN32mm 17 压力表 DN25mm 18 液位 Ф550（260 14）mm 19 溶氧探头 DN63mm 20 PH 探头 DN60mm冷却装置设计2.8.1 冷却方式：发酵罐容量大，罐体的比表面积小。

夹套不能满足冷却要求，使用蛇管冷却，综合比较列管的冷却效果好，在使用水作冷却介质时，选用列管。

2.8.2 装液量 发酵罐装料系数：80%发酵罐装料液体积：v1=全体积×装料系数=×80%=3m 不计算下封头时的装液体积：v 柱=v1-下封头体积2123146142.5 2.90.04 2.94639.0m b v v D h D柱π装液高度：221/0.78539.0/(0.785 2.9) 5.91h v Dm 柱单位时间传热量＝发酵热×装料量，即：Q=1×Q v 发=11700×=510 3m表2-4各类发酵液的发酵热发酵液 发酵热（KJ/3m ·h ）青霉素丝状菌 23000 青霉素球状菌 13800 链霉素 18800 四环素 25100 红霉素 26300 谷氨酸 29300 赖氨酸 33400 柠檬酸 11700 酶制剂2.8.3 冷却水耗量（W ）由课题给出进出口水温为18℃ 、26℃，则Q －单位时间传热量Cp －冷却水的平均比热，取 kJ/ (kg · ℃)12t t －冷却水进出口温度差对数平均温度差 ，由工艺条件知道F t =30℃，1212()()(3018)(3026)7.2830182.303lg 2.303lg3026F F m F F t t t t t t t t t℃t1－冷却水进口温度 t2－冷却水出口温度F t －发酵温度2.8.4 冷却面积（A ）5421 4.9810 1.4910(/)() 4.186(2618)p Q W kg h C t t5334.981035.4210m Q A m K t △tm －对数平均温度差K －传热总系数，取×310 kJ/(m 2 ·h ·℃) 冷却面积(2m ) A=πdL 冷却蛇管总长度(m)d －蛇管内径，d ＝外径－壁厚 60×3.5mm 外径取60mm ，壁厚取蛇管一般分为4组，则每组长度：L/6 =55m 每圈蛇管长度9.42l mD －蛇管圈直径，3mhp －蛇管圈之间的距离，取0.10m 蛇管总圈数24023.359.42p L N l圈 取整24圈，每组24/4=6圈 蛇管总高度(1)(241)0.10 2.3p p H N h m验算每组蛇管堆叠的厚度：m d 蛇因蛇管对称分布，则d ’=2d 蛇 =,再加上搅拌叶的直径Di=，靠近筒壁的蛇管与筒壁之间的距离为0.1m ，即D ’=d ’+Di+（－d 外径／2）=++（－／2）=．因D ’<D=3.4m,所以蛇管能全部放进发酵罐内部，而且高度低于液柱高度，故蛇管的设计符合要求。