发酵工程课程设计设计说明书45M3机械搅拌通风发酵罐的设计起止日期：2013 年12 月30 日至2014 年1 月 5 日学生姓名金辉班级生物技术111班学号***********成绩指导教师(签字)包装与材料工程学院2013年12 月31 日目录第一章前言 (4)第二章设计方案 (5)第三章谷氨酸的发酵工艺 (7)3.1谷氨酸的发酵工艺流程图： (7)3.2谷氨酸的生产原料及处理【7】 (7)3.3谷氨酸发酵工艺技术参数 (8)3.4谷氨酸发酵环境控制 (8)第四章发酵罐设计及谷氨酸发酵基本参数 (10)4.1发酵罐的型式 (10)4.2发酵罐的用途 (10)第五章发酵罐造型及工艺计算 (11)5.1 发酵罐容积的确定 (11)5.2发酵罐主要尺寸的计算 (11)5.3罐体 (14)5.3.1罐体的厚度 (14)5.3.2封头壁厚的计算 (14)5.3.3人孔和视镜的设计 (15)5.4传热量的计算及冷却面积的确定 (15)5.5接管的设计 (17)5.5.1接管的长度h设计【2】 (17)5.5.2接管直径的确定 (17)5.5.3管道接口的选择 (17)5.6装液量的计算 (18)5.7通风量的计算 (18)5.8搅拌器的设计 (18)5.9搅拌器功率的计算 (19) (19)5.9.1不通气时的搅拌功率P (20)5.9.2通气搅拌功率的计算Pg (20)5.9.3电动机的功率P电5.10 竖直蛇管冷却装置计算 (21)5.10.1 求最高热负荷下的耗水量W (21)5.10.2 冷却管的设计 (21)5.10.3校核布置后冷却管的实际传热面积 (22)5.11 设备结构的工艺设计 (22)第六章设计结果及讨论 (23)第七章心得体会 (26)参考文献 (27)第一章前言发酵罐，指工业上用来进行微生物发酵的装置。

其主体一般为用不锈钢板制成的主式圆筒，其容积在1m3至数百m3。

在设计和加工中应注意结构严密，合理。

能耐受蒸汽灭菌、有一定操作弹性、内部附件尽量减少（避免死角）、物料与能量传递性能强，并可进行一定调节以便于清洗、减少污染，适合于多种产品的生产以及减少能量消耗。

用于厌气发酵(如生产酒精、溶剂)的发酵罐结构可以较简单。

用于好气发酵(如生产抗生素、氨基酸、有机酸、维生素等)的发酵罐因需向罐中连续通入大量无菌空气，并为考虑通入空气的利用率，故在发酵罐结构上较为复杂，常用的有机械搅拌式发酵罐、鼓泡式发酵罐和气升式发酵罐。

乳制品、酒类发酵过程是一个无菌、无污染的过程，发酵罐采用了无菌系统，避免和防止了空气中微生物的污染，大大延长了产品的保质期和产品的纯正，罐体上特别设计安装了无菌呼吸气孔或无菌正压发酵系统。

罐体上设有米洛板或迷宫式夹套，可通入加热或冷却介质来进行循环加热或冷却。

发酵罐的容量由300-15000L多种不同规格。

发酵罐按使用范围可分为实验室小型发酵罐、中试生产发酵罐、大型发酵罐等。

发酵罐广泛应用于乳制品、饮料、生物工程、制药、精细化工等行业，罐体设有夹层、保温层、可加热、冷却、保温。

罐体与上下填充头（或雏形）均采用旋压R角加工，罐内壁经镜面抛光处理，无卫生死角，而全封闭设计确保物料始终处一无污染的状态下混合、发酵，设备配备空气呼吸孔，CIP清洗喷头，人孔等装置。

发酵罐的分类:按照发酵罐的设备,分为机械搅拌通风的和非机械搅拌通风发酵罐；按照微生物的生长代谢需要,分为好气型发酵罐和厌气型发酵灌。

发酵罐是一种对物料进行机械搅拌与发酵的设备。

该设备采用内循环方式，用搅拌桨分散和打碎气泡，它溶氧速率高,混合效果好。

罐体采用SUS304或316L进口不锈钢，罐内配有自动喷淋清洗机头，确保生产过程符合GMP要求。

第二章设计方案我设计的是一台45M3的机械通风搅拌发酵罐，发酵生产谷氨酸。

L-谷氨酸是生物机体内按代谢的基本氨基酸之一，也是连接糖代谢与氨基酸代谢的枢纽之一，在代谢上具有比较重要的意义。

L-谷氨酸单钠盐，俗称味精，具有强烈的鲜味，是一种十分重要的调味品，广泛应用于烹调和食品加工。

前国内各谷氨酸厂所使用谷氨酸产生菌主要有天津短杆菌(Brevibacteriaceae Tianjianense)T6-13及其诱变株FM8209、FM-415、CMTC6282、TG863、TG866、S9114、D85等菌株；钝齿棒杆菌(Corynebacterrum crenatum)ASl 542及其诱变株B9、B9-36、F-263等菌株；北京棒杆菌(Corynebacterium Pekinense)ASl299及其诱变株7338、Dll0、WTH-1等菌株。

现在多数厂家生产上常用的菌株是T6-13、FM-415、S9114、CMTC6282等。

综合温度、PH等因素选择菌株，该菌种最适发酵温度为32-37，pH为7.0-7.5。

主要生产工艺过程为如下：原料液的处理与培养基配制；种子制备与扩大培养；发酵；谷氨酸提取与精制。

其具体过程如图1:味精生产总工艺流程图发酵罐主要有罐体，搅拌器，挡板，消泡器，联轴器及轴承，变速装置，空气分布装置，轴封，换热装置等，但此次采用是用于工业发酵的大型发酵罐，为此会去掉挡板，而且会有冷却用的蛇形管。

对于工业生产用的发酵罐体积，我们要进行合理准确的计算；同时对于发酵罐的制作材料也要注意；要控制发酵罐的温度要特别注意，应为了使谷氨酸产生菌的速度最大，我们要保持合适的温度，使发酵罐的温度不至于过高而影响发酵液的温度，为此我们对于蛇形冷却管的冷却面积需要进行合理计算等。

此次的发酵罐的设计不仅包括发酵管的参数等，而且还有发酵条件的控制，以及发酵罐罐体的设计，运用电脑制图，结合了机械工程制图和电脑CAD制图，电脑设计图位于附录。

表2.1发酵罐主要设计条件项目及代号参数及结果备注发酵菌种TG866 根据参考文献[6]选取工作压力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120℃由工艺条件确定冷却方式培养基蛇管冷却玉米浆、糖蜜等由工艺条件确定由参考文献[6]确定发酵液密度1080kg/m3 由工艺条件确定发酵液黏度 2.0×10-3N.s/m2 由工艺条件确定为了使微生物发挥最大的生产效率，发酵罐必须满足几个要求：（1）发酵罐应有适宜的径高比。

罐身较长，氧的利用率较高。

（2）发酵罐应能承受一定的压力，因为发酵罐在灭菌和正常工作时要承受一定的压力（气压和液压）和温度。

（3）发酵罐的搅拌通风装置能使气液充分混合，实现传质传热作用，保证微生物发酵过程中所需要的溶解氧。

（4）发酵罐内应尽量减少死角，避免藏污纳垢，保证灭菌彻底，防止染菌。

（5）发酵罐应具有足够的冷却面积。

（6）搅拌器的轴封要严密，以减少泄露。

第三章谷氨酸的发酵工艺3.1谷氨酸的发酵工艺流程图：图3-1 谷氨酸发酵工艺流程图3.2谷氨酸的生产原料及处理【7】绝大多数的谷氨酸生产菌都不能直接利用淀粉，因此，以淀粉为原料进行谷氨酸生产时，必须将淀粉质原料水解成葡萄糖后才能供使用。

可用来制成淀粉水解糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等，我国主要以甘薯淀粉或大米制备水解糖。

淀粉水解的方法有三种，简单选取两种进行介绍：1、酸水解法的工艺流程水和盐酸+淀粉→蒸汽+调浆→糖化→冷却→中和、脱色→过滤→糖液（1）调浆：原料淀粉加水调成10—11°Be´的淀粉乳，用盐酸调pHl.5左右，盐酸用量(以纯盐酸计)约为干淀粉的0.5％～0.8％。

（2）糖化：粉浆密度1.074～1.09 g.ml-1、pH1.5、蒸汽压力0.25～0.28 MPa、糖化时间15～25 min。

在以上条件下进行即可将淀粉转化为还原糖。

（3）中和脱色：淀粉水解完毕，酸解液pH仅为1．5左右，需用碱中和后才能用于发酵。

中和的终点pH一般控制在4.5～5.0左右，以便使蛋白质等胶体物质沉淀析出。

酸解液中尚存在着一些色素和杂质需通过脱色除去。

脱色可采用活性炭吸附，活性炭是经过特殊处理的木炭，为黑色无定形粉末，不溶于任何溶剂，质松多孔，表面积很大，具有很大的吸附能力。

它将具有脱色与助滤两方面作用。

（4）过滤：经脱色后的糖液，温度仍在60℃以上，应及时用压缩空气或泵送到板框压滤机或叶滤机过滤，活性炭可兼做助滤剂使用。

过滤温度一般在60～70℃之间。

2、酶水解法先用α-淀粉酶将淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶将糊精和低聚糖进一步水解成葡萄糖的方法，称为酶解法。

谷氨酸菌能够在菌体外大量积累谷氨酸，是由于菌体的代谢调节处于异常状态，只有具有特异性生理特征的菌体才能大量积累谷氨酸。

这样的菌体对环境条件是敏感的。

也就是说，谷氨酸发酵是建立在容易变动的代谢平衡上的，是受多种发酵条件支配的。

因此，控制最适的环境条件是提高发酵产率的重要条件。

在谷氨酸发酵中，应根据菌种特性，控制好生物素、磷、NH4+、pH、氧传递率、排气中二氧化碳和氧含量、氧化还原电位以及温度等，从而控制好菌体增殖与产物形成、能量代谢与产物合成、副产物与主产物的合成关系，使产物最大限度地利用糖合成主产物。

3.3谷氨酸发酵工艺技术参数表3.1 主要工艺技术参数3.4谷氨酸发酵环境控制（1）温度：谷氨酸发酵前期应采取菌体生长最适温度为30～32℃。

对数生长期维持温度30-32℃。

谷氨酸合成的最适温度为34～37℃。

催化谷氨酸合成的谷氨酸脱氢酶的最适温度在32-36°C左右，在发酵中、后期需要维持最适的产酸温度，以利谷氨酸合成。

（2）溶解氧：一般控制为，长菌期低风量，产酸期高风量，发酵成熟期又转为低风量。

菌体生长期通风量可比谷氨酸形成期低0.05～0.08 m3/m3.min,且要视OD值的增长情况灵活控制风量。

（3）pH：谷氨酸生产菌的最适pH一般是中型或微碱性pH7.0～8.0条件下累计谷氨酸，发酵前期的pH值以7.5左右为宜，中后期以7.2左右对提高谷氨酸产量有利。

（4）通风量：谷氨酸生产菌是兼性好氧菌，有氧、无氧的条件下都能生长，只是代谢产物不同。

谷氨酸发酵过程中，通风必须适度，过大菌体生长慢，过小产物由谷氨酸变为乳酸。

应在长菌期间低风量，产酸期间高风量，发酵成熟期低风量。

其中，谷氨酸发酵罐现均采用气一液分散较理想的圆盘涡轮式多层叶轮搅拌器。

（5）泡沫：谷氨酸发酵时好气性发酵，因通风和搅拌和菌体代谢产生的CO2，使培养液产生泡沫是正常的，但泡沫过多不仅使氧在发酵液中的扩散受阻，影响菌体的呼吸代谢，也会影响正常代谢以及染菌。

因此，要控制好泡沫是关键。

消泡方法有机械消泡（靶式、离心式、刮板式、蝶式消泡器）和化学消泡（天然油脂、聚酯类、醇类、硅酮等化学消泡剂）两种方法。