黑曲霉菌株合成糖化酶的30-M3发酵罐设计和计算.doc

黑曲霉菌株合成糖化酶的30 M3发酵罐设计和计算（可编辑）
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目 录

1 大型作业方案的拟定........................................................2
2 罐体几何尺寸的确定........................................................4
2.1 夹套反应釜的总体结构...................................................4
2.2 几何尺寸的确定.........................................................4
3 罐体主要部件尺寸的确定和计算..............................................6
3.1 罐体...................................................................6
3.2 罐体壁厚...............................................................6
3.3 封头壁厚计算...........................................................6
3.4 搅拌器.................................................................6
3.5 人孔和视镜.............................................................7
3.6 接口管.................................................................8
管道接口........................................................8
3.6.2 仪表接口........................................................8
4 冷却装置选定.............................................................10
4.1 冷却方式..............................................................10
4.2 装液量................................................................10
4.3 冷却水耗量............................................................10
4.4 冷却面积..............................................................11
5 搅拌器轴功率的算.........................................................13
5.1不通气条件下的轴功率P0计算............................................13
5.2通气搅拌功率Pg的计算.................................................13
5.3电机及变速装置选用....................................................14
6 大型作业小结.............................................................15
7 参考文献.................................................................16

1大型作业方案的拟定
我们的作业任务是一台30M3机械搅拌通风发酵罐,发酵生产糖化酶。
糖化酶，也称葡萄糖淀粉酶（EC3.2.1.3），主要用途是作为淀粉糖化剂。它与a-淀粉酶结合可将淀粉酶转化为葡萄糖，可供葡萄糖工业，酿酒工业和氨基酸工业等应用，是工业生产中最重要的酶类之一，也是我国产量最大的酶制剂产品。黑曲霉是国内糖化酶活性最高的菌株之一。
糖化酶生产菌重要的有：雪白根霉，德氏根霉，河内根霉，爪哇根霉，台湾根霉，臭曲霉，黑曲霉，河枣曲霉，宇佐美曲霉，红曲霉，扣囊拟内孢霉，泡盛曲霉，头孢霉，甘薯曲霉，罗耳伏革菌。
综合温度、PH等因素选择黑曲霉菌株，该菌种最适发酵温度为32-34℃，pH为4.5，培养基为玉米粉2.5%,玉米浆2%，豆饼粉2%组成。
主要生产工艺过程为如下：菌种用蔡式蔗糖斜面于32℃培养6天后，移植在以玉米粉2.5%,玉米浆2%。组成的一级种子培养基中，于33℃摇瓶培养24-36h，再接入（接种量1%）种子罐（培养基成分与摇瓶发酵相同），并于33℃通气培养搅拌24-36h，然后再接入（接种量5%-7%）发酵罐。发酵培养基由玉米粉2.5%,玉米浆2%，豆饼粉2%组成（先用a-淀粉酶液化），发酵温度为32℃，在合适的通气搅拌条件下发酵96小时酶活性可达6000u·ml-1 。
发酵液滤去菌体，如有影响糖化效率的葡萄糖甘转移酶存在， 则通过调节滤液PH等方法使其除去，再通过浓缩将酶调整到一定单位，并加入防腐剂（如苯甲酸）。如制备粉状糖化酶，则可通过盐析或加酒精使酶沉淀，沉淀经过压滤，滤泥再通过压条烘干，粉碎，即可制成商品酶粉。
发罐主要由罐体和冷却蛇管，以及搅拌装置，传动装置,轴封装置，人孔和其它的一些附件组成。这次作业就是要对30M3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确定、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，完成这次作业。
这次作业包括一套图样，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視图，和各种表达方式，有合理的选择比例、大小，合理的安排幅面，说明书就是要写清楚设计的思路和步骤。

表1-1  发酵罐主要条件
项目及代号
参数及结果
备注
发酵菌种
黑曲霉菌株
根据参考文献[1]选取
工作压力
0.3MPa
由工艺条件确定
设计压力
0.3MPa
由工艺条件确定
发酵温度（工作温度）
33℃
根据参考文献[1]选取
设计温度
150℃
由工艺条件确定
冷却方式
蛇管冷却
由工艺条件确定
培养基
玉米粉2.5%,玉米浆2%，豆饼粉2%组成
根据参考文献[1]选取
发酵液密度

由工艺条件确定
发酵液黏度

由工艺条件确定

2 罐体几何尺寸的确定
2.1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，其形式通常由工艺条件而定；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=2.5，则H=2.5D
初步确定：根据条件给出的是发酵罐的公称体积（30M3）
公称体积V－－罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和
全体积V0－－公称体积和上封头体积之和
封头体积 [2] （近似公式）[2]
假设 [2]
根据该条件发酵罐的公称体积为30M3
由公称体积的近似公式可以计算出
罐体直径，
罐体总高度
，
取整为。
查阅文献[2] ，当公称直径时，标准椭圆封头的曲面高度，直边高度，总深度为，内表面积，容积。
可得罐筒身高

则此时，与前面的假设相近，
故可认为是合适的
发酵罐的全体积

搅拌叶直径取，其中
符合[4]
根据文献[4]，搅拌叶间距取
根据文献[4]，底搅拌叶至底封头高度取
表2-1 大中型发酵罐技术参数
公称容量
()
筒体高度H(mm)
筒体直径
(mm)
换热面积
（）
转速
（r/min）
电机功率
（kw）
10
3200
1800
12
150
7.5
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 30m3发酵罐的几何尺寸
项目及代号
参数及结果
备注
公称体积
30
所给条件
全体积
32
计算
罐体直径
2600
计算
发酵罐总高
6500
计算
发酵罐筒体高度
5100
计算
搅拌叶直径
800
计算
椭圆封头短半轴长
650
计算
椭圆封头直边高度
40
计算
底搅拌叶至封头高度
800
计算
搅拌叶间距
1600
计算

3 罐体主要部件尺寸的确定和计算
3.1 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。因糖化酶是偏酸性（pH值为4.5），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，封头确定为标准椭圆封头，因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。
3.2 罐体壁厚

取3mm[4]
D － 罐体直径（mm）
p － 耐受压强 (取0.3MPa)
Φ － 焊缝系数，双面对焊取0.8
[σ] － 所需温度下的许用应力（kgf/c）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa）
C － 腐蚀裕度，当δ －C<10mm时，C＝3mm
3.3 封头壁厚计算
，
取3mm。[4]
D － 罐体直径（mm）
P － 耐受压强 (取0.3MPa)
Y － 开孔系数，取2.3
φ － 焊缝系数，双面焊取0.8
[σ] －所需温度下的许用应力（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa）
3.4 搅拌器
采用涡轮式搅拌器[4]，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：六平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[2]可知发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶，叶径800mm，则可以计算出
盘径[3]
叶高[3]
叶长[3]

3.5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。
本次作业只设置了1个人孔，由于公称压力为0.3Mpa<0.6Mpa,故选择标准号为：人孔RFⅡ（R·G）450-0.6 HG21522-1995，公称直径450，开在顶封头上， 位于左边轴线离中心轴750mm处。
视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次作业只设置了2视镜，直径为DN80，开在顶封头上，位于前后轴线离中心轴750mm处，标记为视镜Ⅱ PN1.0 DN80 HGJ501-86-17。

3.6接口管
以进料口为例计算，
设发酵醪液流速为，2h 排尽。发酵罐装料液体积：
物料体积流量，
则排料管截面积，
又，得d0=0.076m，取无缝钢管，查阅资料[3]，平焊钢管法兰HG20593-97，取公称直径80mm，。其他管道也是如此计算。
3.6.1 管道接口 （采用法兰接口）
进料口：直径，开在封头上，
排料口：，开在罐底；
进气口：，开在封头上；
排气口：，开在封头上；
冷却水进、出口：，开在罐身；
补料口：，开在封头上；
取样口：，开在封头上；
仪表接口
温度计；装配式热电阻温度传感器Pt100型，D＝100mm，开在罐身上；
压力表；弹簧管压力表（径向型），d1=20mm，精度2.5，型号：，开在封头上；
液位计：采用标准： 型号： 直径：，
开在罐身上；
溶氧探头：；pH探头：型；

表3-1  发酵罐主要部件尺寸的计算结果
项目及代号
参数及结果
备注
罐体材料
16MnR钢
由工艺条件确定
焊接方式
双面缝焊接
由工艺条件确定
罐体筒壁厚

计算
封头壁厚

计算
搅拌器类型
六弯叶涡轮式搅拌器
根据参考文献[3]选取
搅拌叶直径

计算
搅拌器层数
3
由工艺条件确定
人孔
1个，标准号HG21522-1995
根据参考文献[3]选取
视镜
2个，标准号HGJ501-86-17
根据参考文献[3]选取
进、排料口直径

根据参考文献[3]选取
进、出气口直径

根据参考文献[3]选取
冷却水进、出口直径

由工艺条件确定
补料口直径

根据参考文献[3]选取
取样口直径

由工艺条件确定
温度计
装配式热电阻温度传感器Pt100型，D＝100mm

压力表

液位计

溶氧探头

pH探头
型

4 冷却装置选定
4.1 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。
4.2 装液量
设计发酵罐装料系数：取
发酵罐装料液体积：

不计算下封头时的装液体积：

装液高度：
单位时间传热量＝发酵热×装料量
即：

表4-1 各类发酵液的发酵热
发酵液
发酵热(kJ/·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
黑曲霉
16800

4.3 冷却水耗量
由实际情况选用进出口水温为17℃ 、25℃，则

Q － 单位时间传热量
Cp － 冷却水的平均比热，取4.186 kJ/ (kg · ℃)
t2-t1－冷却水进出口温度差
对数平均温度差 ，由工艺条件知道=25℃，
℃
t1－冷却水进口温度
t2－冷却水出口温度
－发酵温度
4.4 冷却面积

根据实际情况取23 m2
△tm －对数平均温度差
K－传热总系数，取1.9 kJ/(m2 ·h·℃)
冷却面积() A=πdL
冷却蛇管总长度(m)

d－蛇管内径，d＝外径－壁厚 取=57×3.5mm
（径取50－80mm，壁厚取3.5－5mm ）
每圈蛇管长度

Dp － 蛇管圈直径，3m
hp － 蛇管圈之间的距离，取0.15m
每组蛇管圈数
，则总圈数为4×4=16圈
蛇管总高度

表2-3  30发酵罐冷却装置的计算结果
项目及代号
参数及结果
备注
装料系数
80%
由工艺条件确定
装料体积

计算
装料高度

计算
总发酵热

计算
冷却水耗量

计算
冷却面积

计算
冷却蛇管总长度

计算
冷却蛇管总高度

计算
蛇管组数
4组
由工艺条件确定
每组蛇管圈数
4圈
计算

5 搅拌器轴功率的计算
5.1不通气条件下的轴功率
取发酵醪液黏度，密度，搅拌转速，则雷诺准数： 当时，液体处于湍流状态，此时X=0，
在全挡板条件下，液面未出现漩涡，即y=0，则NP=K，查文献[5]得NP=K=4.8
鲁士顿(Rushton J. H.)公式：
P0－无通气搅拌输入的功率（W）；
－功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；圆盘六弯叶涡轮 NP≈4.7
ω－涡轮转速（r/min）；
－液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取800－1650 kg/m3 ；
－涡轮直径（m）；
Frm－搅拌下的弗鲁特数；
由于工业发酵罐的高经比(H/D)一般为2~3，因此在同一轴上往往装有很多层搅拌器。
又由于H=6480mm，搅拌叶间距S=1600mm，得m<H/S≈4,取m=3

－ 搅拌器层数。
5.2通气搅拌功率Pg的计算
因为是非牛顿流体，所以用以下公式计算

C － 系数，时，取0.157
－ 无通气搅拌输入的功率（kW）
ω － 涡轮转速（r/min），取200 r/min
－涡轮直径（m），0.8m
Q－通气量（/min），取1－6 /min，取2/min

5.3电机及变速装置选用
根据搅拌功率选用电动机时，应考虑传动装置的机械效率。

－搅拌轴功率
－轴封摩擦损失功率，一般为
η－传动机构效率
选择三角皮带电机，三角皮带的效率是 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的1%，故电机功率

搅拌轴直径，W为转速（单位为转/分），系数A可以取97-149，
取已知，，
则得 根据文献选轴径为85mm。
表5-1  发酵罐搅拌功率的计算结果
项目及代号
参数及结果
备注
转速

根据参考文献[3]选取
不通气条件下的轴功率
59.42kw
计算
多层搅拌器轴率
130.724kw

通气量
2.5/min
由工艺条件确定
通气搅拌功率
46.219kw
计算
电机的功率
52.30kw
计算
电机的选择
型号Y-315S2
根据参考文献[3]选取
轴径
85mm
根据参考文献[3]选取
传动装置
三角皮带
根据参考文献[3]选取

6 大型作业小结
在此次大型作业中，我们选用了机械通风发酵罐，该反应器利用黑曲霉菌株菌种进行糖化酶的发酵生产，发酵温度为33，反应器的材料为16MnR钢；采用涡轮六弯叶式三层搅拌器，利用55kw电动机通过85mm的轴驱动；冷却方式为蛇管冷却，冷却蛇管总长为150m，分为4组。
通过这次作业，我们学会怎样选用机械通风反应器，并学会一些基本的步骤，以及认真的态度。这次我们的作业是由最开始的计算到数据的整理在到画图，以及在后来的说明书的的拟订。虽然是困难重重，但终于完成了。总的感觉就的好累啊，可是深切体会到书到用时方恨少，真的不能临时抱佛脚。在这里要感谢老师的指导，小组同学们的帮助。

7 参考文献
[1] 齐香君. 现代生物制药工艺学[M]. 北京：化学工业出版社，2003.9
[2] 梁世中. 生物工程设备[M]. 北京：中国轻工业出版社，2021.4
[3] 吴思芳. 发酵工厂工艺设计概论[M]. 北京：中国轻工业出版社，2006.7
[4] 郑裕国 薛亚平 金利群等.生物加工过程与设备[M]. 北京：化学工业出版社，2004.7