2m3谷氨酸发酵罐设计

江西科技师范学院

生物工程专业《化工原理课程设计》说明书

题目名称2m3 产谷氨酸发酵罐的设计

专业班级2009 级生物工程（1）班

学号

学生姓名唐盼阙素云周婷

指导教师常军博士

2011 年10 月31 日

目录

一、设计方案的确定1

谷氨酸的生产工艺流程1

生产原料1

发酵菌株1

培养基的制备2

二、发酵罐主体设计计算2

发酵罐主要条件及主要技术指标2

罐体选型、几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸的设计计算3发酵罐的选型3

发酵罐容积的确定 3

发酵罐装液量的确定3

冷却装置的设计3

罐体选料4

罐体壁厚4

封头壁厚计算5

夹套直径5

挡板的设计5

搅拌器的设计5

搅拌器的计算5

搅拌轴功率的计算 6

管道设计8

通风管管径计算8

进出物料管8

冷却水进出口管径 8

管道接口8

仪表接口8

三、其他附件选型9

四、附录及图纸10

附录1计算结果汇总表10

附录2计算结果汇总表10

五、总结11

六、参考文献及资料12

一、设计方案的确定

谷氨酸的生产工艺流程

谷氨酸的生产主要包括以下工作：谷氨酸发酵的原料处理和培养基的配制；

子培养；发酵工艺条件的控制；谷氨酸提取；谷氨酸的精制。

发酵法生产谷氨酸的工艺流程如下：

图1 谷氨酸生产工艺流程图

生产原料

谷氨酸生产时发酵原料的选择原则：首先考虑菌体生长繁殖的营养；考虑到有利于谷氨酸的大量积累；还要考虑原料丰富，价格便宜；发酵周期短，产品易提取等因素。目前谷氨酸生产上多采用尿素为氮源，采用分批流加，以生物素为生长因子。国内大多数厂家用淀粉为发酵原料，主要有玉米、小麦、甘薯、大米等，其中甘薯的淀粉最为常用。少数厂家用糖蜜为发酵原料，主要有甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜。

发酵菌株

现有谷氨酸生产菌分属于棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属。目前工业上应用的谷氨酸产生菌有谷氨酸棒状杆菌、乳糖发酵短杆菌、散枝短杆菌、黄色短杆菌、噬氨短杆菌等。目前国内各味精厂所使用的谷氨酸生产菌主要有（1）纯齿棒状杆菌及其

（2）天津短杆菌T613及其诱变株FM-415、CMTC6282、诱变株B9、B9-17-36、F-263等菌株；

S9114等菌株；（3）北京棒杆菌及其诱变株D110等菌株。本实验选择北京棒杆菌。

培养基的制备

培养过程：斜面培养一级种子培养二级种子培养发酵罐

（1）斜面培养基：葡萄糖%、牛肉膏%、蛋白胨%、氯化钠%、琼脂%、~。

（2）一级种子培养基：葡萄糖%、尿素%、KH2PO4 %、MgSO4?7H2O %、玉米浆~、。（3）二级种子培养基：水解糖12~14%、尿素~%、玉米浆~、KH2PO4 ~%、MgSO4?7H2O %、。（4）发酵培养基：水解糖12~14、尿素~%、玉米浆、MgSO4?7H2O %、KCl %、Na2HPO4 %、。

二、发酵罐主体设计计算

发酵罐主要条件及主要技术指标

根据常识，一个良好的发酵罐应满足下列要求：①结构严密，经得起蒸汽的反复灭菌，内壁光滑，耐腐性好，以利于灭菌彻底和减小金属离子对生物反应的影响；②有良好的气-液-固接触和混合性能以及高效的热量、质量、动量传递性能；③在保持生物反应要求的前提下，降低能耗；④有良好的热量交换性能，以维持生物反应最是温度；⑤有可行的管道比例和仪表控制，适用于灭菌操作和自动化控制。

表1 发酵罐主要设计条件

项目及代号参数及结果备注

发酵产品谷氨酸由任务书确定

工作压力由任务书确定

设计压力由任务书确定

发酵温度（工作温度）32℃根据任务书选取

设计温度150℃由工艺条件确定

冷却方式夹套冷却由工艺条件确定

发酵液密度 3m /kg 1080=ρ

由工艺条件确定 发酵液黏度

23m /s N 100.2??=μ-

由工艺条件确定

罐体选型、几何尺寸的确定、罐体主要部件尺寸的设计计算 2.2.1 发酵罐的选型 选用机械搅拌通风发酵罐 2.2.2 发酵罐容积的确定 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= 初步选用公称容积为2m 3酵罐。

公称体积 V －罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和 全 体 积 V 0－公称体积和上封头体积之和。 封头体积

设2/0=D H ，根据设计条件发酵罐的公称体积为2m 3；

罐体直径D=，取整为1100mm ； 罐体总高度H==×1100mm=2750mm ；

查阅文献[5]，当公称直径D=1100mm 时，标准椭圆封头的曲面高度h a =275mm ，直边高度h b =25mm ，总深度为H f =300mm ，内表面积2m 398.1S =封，容积3f m 198.0V =。

则此时9546.11100/2150D /H 0==，与前面的假设相近，故可认为D=1100mm 是合适的。

发酵罐的全体积：

2.2.3 发酵罐装液量的确定 设计发酵罐装料系数：取70% 发酵罐装料液体积：

1v =公称容积×装料系数=2×70%=3m 冷却装置的设计

因发酵罐容积小于5m3,故可以采用夹套冷却 Ⅰ 发酵产生的总热量：

()h /kJ 105.3%072600018.4Q 4?=???=总

m m

21506002750H 2H H f 0=-=-=32

b 020m 44.2)]1.161025.0(215.2[1.14)]

D 61

h (2H [D 4V =?+?+??π=++π=3

02D

24

H D 4V π+π=

Ⅱ 夹套传热系数：

()()℃???=h m /kJ 250~15018.4K 2

现取K=×220kJ/（m 2·h·℃） Ⅲ 平均温差：发酵温度t=32℃；水初温

20~23℃，取t 1=23℃；水终温t 2=27℃，则 平均温差：

Ⅳ 需冷却面积F ：

Ⅴ 核算夹套冷却面积：按静止液深确定夹套高度 静止液体浸没筒体高度 ：

液深：

夹套可能实现的冷却面积为封头表标面积S 封与圆筒被液体浸没的筒体为表面积S 筒之和：

夹套高度应不高于动态时的液面高度，因高于液面的传热面积，并没有起多少冷却作用。 综上，传热需要的面积F=

该设计夹套能提供的冷却面积为S 夹= m 2， S 夹>F ，可满足工艺要求。 罐体选料

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），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。 2.4.1罐体壁厚

对于带夹套的容器，应该按外牙容器计算壁厚。考虑到冷却水压力与容器内压力又不同

时存在的情况，取水压作为容器外压。

S= = ，取整5mm 。

D －罐体直径（mm ） P －耐受压强 (取 φ－焊缝系数，双面焊取

[σ ]－设计温度下的许用应力（kg?f/c m 2）（16MnR 钢焊接压力容器许用应力为150℃，

℃8.627322332ln

27322332t t t t ln )t t ()t t (t 2

121m =--+--=

-----=?24

m m 6.58.622018.4105.3t K Q F =???=?=总()m 27.11.10.7850.198-1.4S V V H 2

f 0=?=-=罐醪mm 57012701300H H H 0L =+=+=封20m 78.5398.172.11.114.3S DH S S S =+??=+π=+=封封筒夹mm

62.434.08.0170211004.0=+-???C 2PD +?σ〕〔

170MPa ）

C －腐蚀裕度，3

21C C C C ++= 式中 C 1——

钢板负偏差，现取C 1= C 2——为腐蚀余量，现取C 2=2mm

C 3——加工减薄量，现取C 3=

2.4.2 封头壁厚计算

，取整为7mm 。

D －罐体直径（mm ）； P －耐受压强 (取；

y －开孔系数，取 ； φ－焊缝系数，双面焊取； [σ]－设计温度下的许用应力（16MnR 钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa ）。 2.4.3 夹套直径

夹套直径与筒体直径的关系为：mm 1200100D D =+=夹 挡板的设计

根据全挡板条件：

式中 B －挡板宽度 B==×1100=110(mm) D －罐径D=1100mm Z －挡板数：

块，取Z=6块。

搅拌器的设计 采用六弯叶涡轮式搅拌器。

2.6.1 搅拌器的计算

直径：m m 36011003/1D 3/1D i =?== 叶片宽度： 弧长：

盘径：

叶弦长：

搅拌器间距：

底距：

m m 1083603.0D 3.0h i =?==m m 135360375.0D 375.0r i =?==m m 27036075.0D 75.0d i i =?==m m

9036025.0D 25.0L i =?==m m 1100D D 3Y i ===m m 360D C i ==m m 72.638

.017023

.211004.0C ][2PDy S 2=+????=+?σ=5.0Z D

B

=?5

11011005.0B D 5.0Z =?=?=mm 32.028.0C =++=

表2 2m 3发酵罐的几何尺寸

项目及代号 参数及结果 备注

公称体积（m 3） 2 设计条件

全体积（m 3） 计算

罐体直径（mm ） 1100 计算 发酵罐总高（mm ） 2750 计算 发酵罐筒体高度（mm ） 2150 计算 搅拌叶直径（mm ） 360 计算 椭圆封头短半轴长（mm ） 275 计算 椭圆封头直边高度（mm ） 25 计算 底搅拌叶至封头高（mm ） 360 计算 搅拌叶间距（mm ） 1100 计算

取两档搅拌，搅拌器转速N 2，根据50m 3罐，110r/min ，搅拌器直径D 1=，使用P 0/V 为基准缩小，求得：

2.6.2 搅拌轴功率的计算 通风搅拌发酵罐搅拌轴功率的计算有很多种方法，现在用迈凯尔式求搅拌轴功 率，并

由此选择电机。 淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体，计算步骤如下： Ⅰ 计算Re m

式中：D ——搅拌器直径，D= N ——搅拌器转速，

ρ——醪液密度，ρ=1080 kg/m 3 μ——醪液粘度， μ=2×10-3N·s/m 2 将数代入上式：

视为湍流，则搅拌功率准数N p =，根据参考文献[8]得。

Ⅱ 计算不通气时的搅拌轴功率

ρ5

i 3P 0D N N P =

式中：N p ——在湍流搅拌状态时其值为常数

N ——搅拌转速，N=s D i ——搅拌器直径，D i = ρ——醪液密度，ρ=1080kg/m 3 代入上式： kW 60.1108036.073.37.4P 53'0=???=

()min /r 2243601050110D D N N 3

/23

/2i 112=?

?? ??=?

??

? ??=()s /r 73.360224N ==μρN D Re 2m =

4

532m 10106.2102108073.336.0Re ＞?=???=-

两挡搅拌kW 2.36.12P 2P '00=?==

Ⅲ通气搅拌功率Pg 的计算

式中：P 0－多层搅拌输入的功率（kW ）

N －搅拌转速（r/min ），取224 r/min

i

D －搅拌器直径（m ），

Q —通风量（ml/min ），设通风比VV m =~，现取； 则：Q=×=（m 3/min ） 故：

Ⅳ 求电机功率

采用三角带传动η1=；滚动轴承η2=，滑动轴承η3=；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：

搅拌轴直径1/3

(/)

d A Pn =?，n 为转速（单位为转/分），系数A 可以取97-149， 取120A =，已知m in r 224n kW 24.0P ==，，则得

根据文献选轴径为20mm 。

转速 224r/min 计算 不通气条件下的轴功率 计算 两层搅拌器轴率

计算

通气量

min 由工艺条件确定 通气搅拌功率 计算

电机的功率 计算

电机的选择 型号Y80M1-2

功率

转速2825r/min 效率75%

根据参考文献[7]选取

kW

21.0)252.06.32242.3(1025.2)Q ND P (1025.2P 39.008

.032

339.008.03

i 203g =????=?=--39

.008

.03i 2

3g )Q

ND Po (1025.2P ??=-01.1P P 3

2

1

g

?η

ηη=电()kW 24.001.198

.099.092.00.21

P =???=电mm 28.12)22424

.0(120)n P (A d 3

131=?=?=

轴径 20mm 根据参考文献[7]选取 传动装置 三角皮带 根据参考文献[7]选取

管道设计 2.7.1通风管管径计算

设罐压，发酵温度t=32℃，风速v=20m/s ，通风量为，常压下t 0=20℃，送风量V 为：

()

s /m 102.4m in /m 252.018.04.1V 333-?==?=

将通风换算成工作状态，求通风管直径d 1

，取整9mm 。 采用无缝钢管，管径Φ12× ，内径为9mm ，可满足生产要求。

2.7.2 进出物料管 该管为物料进口，按输送物料算：

20min 送完物料，则物料流量为

管道截面为F ，物料流速为v=~1m/s ，现取v=1m/s ，则：

管径为：

采用无缝钢管，管径采用Φ48×4mm ,内径40 mm 大于39 mm ，可满足生产要求。 2.7.3 冷却水进出口管径

由前知需冷却热量 ，冷却水温变化23℃ ~27℃，水比热容： ，则耗水量W 为：

取水流速v=4m/s ；则冷却水管进出口直径为：

2.7.4 管道接口（采用法兰接口）

进料口：直径Φ48×4mm ，开在封头上； 排料口：Φ48×4mm ，开在罐底；

进气口：Φ12×，开在封头上； 排气口：Φ12×，开在封头上； 冷却水进、出口：Φ43mm ，开在夹套上； 补料口：Φ48×4mm ，开在封头上； 取样口：Φ48×4mm ，开在封头上。 仪表接口

()m 103.860

20785.0293303

4.01.0102.460v 78

5.0t 273t 273P 1.0V d 330

1--?=???

??=??++??=m

039.0785.01017.1785.0F d 3

2=?==-()()s

/m 5815.0h /kg 2093232718.4105.3t t c Q W 34

21w ==-??=-=()

m 43.0785.045815

.0d =?=h

/kJ 105.3Q 4max ?=()℃?=kg /kJ 18.4c w s /m 1017.160

204.1V 33-?=?=物233

m

1017.111017.1v V F --?=?==物

温度计：装配式热电阻温度传感器Pt100型，开在罐身上；

压力表：弹簧管压力表（径向型），精度，型号：Y-250Z ，开在封头上； 液位计：采用标准： ，型号：R-61，开在罐身上； 溶氧探头： ；pH 探头：pHs-2型。

三、其他附件选型

设备结构的工艺设计，是将设备的主要辅助装置的工艺要求交代清楚，供制造加工和采购时取得资料依据。其内容包括： (1) 空气分布器 对于好气发酵罐，分布器主要有两种形式，即：多孔式和单管式。对通风量较小的设备，应加环型或直管型空气分布器；而对通气量大的发酵罐，则使用单管通风，由于进风速度高，又有涡轮板阻挡，叶轮打碎、溶氧是没有问题的。本罐使用直管型空气分布器，型号规格为：KFQ-Ⅲ6T(S) GB 8070-1987，公称直径270。 (2) 挡板

挡板的作用是加强搅拌强度，促进液体上下翻动和控制流型，防止产生涡旋而降低混合与溶氧效果。本罐设挡板，共6块。 (3) 手孔

手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个手孔，标准号为： 手孔FS(A-XB350) HG/T21535-2005，公称直径250， 开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴150mm 处。 (4) 视镜 视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了2视镜，直径为DN80，开在顶封头上，位于前后轴线离中心轴150mm 处，标记为视镜Ⅱ DN80 HGJ501-86-14。 轴封

轴封的作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄漏和污染杂菌。本次设计采用端面式轴封，基本构件是动环和静环，垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。 联轴器及轴承

采用法兰将搅拌轴连接。为了减少震动，在发酵罐内装有底轴承。 (7) 支座

发酵设备常用支座分为卧式支座和立式支座。其中卧式支座又分为支腿，圈型支座，鞍型支座三种。立式支座也分为三种即：悬挂支座，支撑式和裙式支座。对于5m 3以下的发酵罐，应选用支撑式支座。本设计选用支撑式支座。

S E N D O F

---51368

H G -

四、附录及图纸

附录1 计算结果汇总表

项目结果单位

实际全容积（V）m3

罐体直径（D）m

直筒高（H0）m

封头直边高度（h b）25mm

封头椭圆短半轴长度（h a）275mm

）×104kJ/h

总热负荷（Q

总

装料量（V L）m3

装料高度（H L）m

所需传热面积（F）m2

）m2

实际传热面积（F

实际

耗水量（W）2093kg/h

25℃水的比热（C p）kJ/(kg·℃)

25℃水的密度（ρ水）1kg/m3

搅拌器叶径（D i）360mm

叶宽（d i）108mm

底距（C）360mm

叶距（Y）m

搅拌器转速（N）224r/min

雷诺数（R e）×105

功率准数（Np）

单层搅拌功率（P0/）1600W

两层搅拌功率（P0）3200W

通风量（Q）m3/min

通气搅拌功率（P g）210W

）240W

电机功率（P

电

罐体壁厚（S）5mm

封头壁厚（S2）7mm

附录2计算结果汇总表

项目及代号参数及结果备注

罐体材料16MnR钢制由工艺条件确定

焊接方式双面缝焊接由工艺条件确定

罐体筒壁厚5mm计算

封头壁厚7mm计算

搅拌器类型六弯叶涡轮式搅拌器根据参考文献选取

搅拌叶直径360mm计算

搅拌器层数2由工艺条件确定

手孔1个，标准号HG/T21535-2005根据参考文献[5]选取

视镜2个，标准号HGJ501-86-14根据参考文献[5]选取进、排料口直径Φ48×4mm计算

进、出气口直径Φ12×计算

冷却水进、出口直径Φ43mm计算

补料口直径Φ48×4mm计算

取样口直径Φ48×4mm计算

根据参考文献[6]选取

温度计装配式热电阻温度传感Pt100

型

支座支撑式支座根据参考文献[6]选取

压力表Y－250Z根据参考文献[6]选取

液位计R－61根据参考文献[6]选取

溶氧探头SE－N－DO－F根据参考文献[6]选取

pH探头pHs－2型根据参考文献[6]选取

五、总结

化工原理课程设计我们组设计的是2m3的机械搅拌通风发酵罐，根据所需设计的发酵罐的体积，我们通过上网和查阅机械搅拌通风发酵罐的有关资料，熟悉基本工作原理和特点，进行工艺计算、主要设备工作部件（如罐体、罐体壁厚、封头壁厚计算、搅拌器、仪表接口、人孔和视镜、管道接口等）尺寸的设计。大部分计算结果我们是根据发酵罐的体积来确定的；而有的只能通过查阅文献和相关资料来确定，比如电机的选择、轴径、传动装置等，有的又是根据工艺条件来确定，比如通气量、罐体材料和焊接方式等等。不同于解习题，课程设计的依据和答案往往不是唯一的，务必要注意还要从技术的可行

性和经济上的合理性两方面再进行进一步的分析比较。我们组发酵罐的特色是反应器材料为16MnR钢，采用六弯叶涡轮搅拌器，冷却方式为夹套冷却，夹套冷却虽然传热效果不甚好，但可保证罐内光洁，易清理，不易染菌。

课程设计是我们新接触的一门学科，所以其中不可避免的会出现许多的毛病和疏漏，比如图纸的绘制和文章结构和格式规范的某些细节处。只有通过老师多次指出错误之后我们一次次的不断修改和完善，争取利用简洁的文字、清晰的图表和正确的计算设计出一个符合实践生产的发酵罐模型。

通过完成这次设计，我们巩固了化工原理设计方面的专业知识，训练了我们利用已学过的理论知识和实际知识分析和解决工程知识的能力，也体会到了团队合作中互相虚心学习，积极讨论的重要性。

六、参考文献及资料

[1] 张克旭．氨基酸发酵工艺学[M]．北京：中国轻工业出版社，.

[2] 黄方一等．发酵工程[M]．湖北：华中师范大学出版社，.

[3] 王旭，禹郑超．味精发酵生产工艺及其主要设备．高等函授学报（自然科学版），1995（4）：45-48．

[4] 伦世仪．生化工程[M]．北京：中国轻工业出版社，.

[5] 朱有庭，曲文海，于浦义．化工设备设计手册[M]．北京：化学工业出版社，.

[6] 吴诗平．味精发酵罐课程设计[EB/OL]．

，2011-01-03．

[7] 吴思方．发酵工厂工艺设计概论[M]．北京：中国轻工业出版，.

[8] 陈乙崇．搅拌设备设计[M]．上海：上海科学技术出版社，.

[9] 梅进义．260m3发酵罐设计[EB/OL]．

，2011-01-08．

[10] 潘永亮，刘玉良．化工设备机械设计基础[M]．北京：化学工业出版社，.

[11] 王斐．年产三万吨谷氨酸发酵罐设计[EB/OL]．

，2011-04-08．

[12] 梁世中．生物工程设备[M]．北京：中国轻工业出版社，.