生物工程设备课程设计

生物工程设备课程设计

单批次发酵 60m3 谷氨酸的发酵工艺设计

院系：生命科学学院

专业：生物工程

班级：122

学号：2012031202

姓名：陈志强

指导老师：张艳梅

日期：2015年6月28日

目录

第1章概述 (1)

1.1发酵罐设计前景 (1)

1.2微生物生物反应器的研究与应用概述 (1)

1.3微生物反应器的研究和应用进展 (2)

第2章设计依据 (3)

2.1、本次设计内容 (3)

2.2、基本参数 (3)

2.2.1 发酵罐的型式 (3)

2.2.2 发酵罐的用途 (3)

2.2.3冷却水及冷却装置 (4)

2.2.4设计压力 (4)

第3章通用发酵罐的系列参考尺寸 (5)

3.1.通用发酵罐的系列尺寸 (5)

3.2 发酵罐主要设计条件 (6)

第4章谷氨酸生产工艺流程简介 (7)

4.1谷氨酸发酵工艺技术参数 (7)

4.2谷氨酸生产原料及处理 (7)

4.3谷氨酸生产工艺流程图 (10)

第5章发酵罐选型及工艺计算 (11)

5.1 发酵罐的设计与选型 (11)

5.1.1 发酵罐的选型 (11)

5.1.2 生产容积的确定 (11)

5.2主要尺寸的计算 (11)

5.3 冷却面积的确定 (12)

5.4 搅拌器设计 (13)

5.5 、搅拌轴功率的确定 (15)

(15)

2.5.1 计算Re

m

5.5.2不通气条件下的轴功率计算 (16)

5.5.3 通气发酵轴功率计算 (16)

P (17)

5.5.4 求电机功率

电

5.6设备结构的工艺设计 (17)

5.7 竖直蛇管冷却装置设计 (18)

5.8备材料的选择 (21)

5.9 发酵罐壁厚的计算 (21)

5.10 接管设计 (23)

第6章设计结果与讨论 (25)

6.1发酵罐参数设计汇总 (25)

6.2 辅助设备有关参数 (26)

6.3 搅拌器有关参数 (27)

6.4主要符号说明 (27)

第7章发酵罐设计心得体会 (29)

参考文献 (30)

设计图 (31)

第1章概述

1.1发酵罐设计前景

生物反应器是多学科交叉的生物技术领域，是21世纪生物工程发展的重要前沿之一。近年来，国内外利用动物、植物和微生物生物反应器生产蛋白药物与其它重要产品的研究取得了令人瞩目的进展，特别是功能基因的高效表达技术与方法研究有了许多新的突破，不少产品已进入研究开发和产业化阶段。

生物反应器（bioreactor）是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，其设计、放大是生化反应工程的中心内容。从反应过程上看，生物反应器根据培养对象的不同可分为以下几种。①微生物反应器和酶反应器。微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏、防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。酶反应器可分游离酶及固定化酶反应器两大类。②细胞生物反应器。动物细胞或植物愈伤组织培养条件苛刻，培养周期长，杂菌污染的危害性大，因此动植物细胞反应器的设计远较微生物反应器复杂。③转基因动植物生物反应器。目前，动物生物反应器中研究与应用较多的是乳腺生物反应器，该类反应器基于转基因技术平台，使源基因导入动物基因组中并定位表达于动物乳腺，利用动物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白质的能力，在动物的乳汁中生产一些具有重要价值的产品。植物生物反应器主要是指利用转基因植物来生产蛋白质和次生代谢产物等工程产品。

1.2 微生物生物反应器的研究与应用概述

微生物反应器和酶反应器发展至今，已经形成了多种类型：在操作方式上，间歇式、连续式和半间歇式均已得到研究和应用；在反应器结构特征上，目前已发展了釜 / 罐式、管式、塔式、膜式等类型；在能量的输入方式上，目前已发展了通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等；在生物催化剂在反应器中的分布方式上，目前已发展了生物团块反应器和生物膜反应器，其中生物团块反应器根据催化剂相态的不同又发展了填充床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器；在反应器内的流动和混合状态上，目前生物反应器已发展至全混流型生物反应器和活塞流型生物反应器。

微生物反应器的研究和开发需要经历三个阶段：①实验室阶段——微生物的筛选和培养基的研究，在摇瓶培养或1 ～ 3L 反应器中进行；②中试阶段——5 ～ 500L 规模小型反应器，环境因素最佳操作条件研究；③工厂化规模生产——实验生产至商业化生产，提供产品并获得经济效益。酶反应器和下述的细胞生物反应器研究也同样需要经历实验室阶段、中试阶段和规模生产阶段。在三个阶段中，尽管生物反应过程相同，但规模的不同使反应溶液的混合状态、传质与传热速率等不尽相同，如何让微生物、酶、细胞充分与外界接触并完成生化过程，达到足够高的反应效率，在工艺上都会有许多新的困难。反应器类型的多样性和工艺的复杂性一方面提高了反应器研究和应用的难度，另一方面也给生物反应器的研究和发展带来了巨大的空间。例如，近年来，膜生物反应器在污水处理中的研究和应用不断发展。

1.3 微生物反应器的研究和应用进展

膜生物反应器在污染处理中的应用是近年来微生物反应器的研究和应用进展的代表性技术之一。除此之外，结合数学、动力学、化工工程原理、计算机等技术研究微生物反应器和酶反应器中的生化过程，使其过程控制的工艺更为合理，而固液分离技术（离心分离、过滤分离、沉淀分离等工艺）、细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等）、蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等）等下游技术的发展促进了生物反应器设计水平的提高。另一方面，近年来基因工程技术等的发展推动了微生物反应器研究的快速进步。例如，乙酸氧化脱硫单胞菌（Geobacter sulfurreducens）、泥土杆菌科（Geobacteraceae）的电极还原微生物等细菌的发现和改造与质子交换膜（PEM）的技术进步，共同推动了微生物燃料电池（MFC）技术的发展和应用。

第2章设计依据

2.1 本次设计内容

设计60m3谷氨酸机械搅拌通风反应器

2.2机械搅拌通风发酵罐设计参数：

2.2.1、主发酵、后发酵在一个罐中完成，罐压0.4MPa，发酵温度为32℃

2.2.2、D/H = 1:2

2.2.3、采用碳钢材质，ρ= 7850 kg/m3

2.2.4、采用六弯叶涡轮搅拌器（Di＝0.35D）

2.2.5、竖直蛇管冷却装置（无缝钢管Φ108×4），冷却水进口温度20 ℃，出口温度为27 ℃。

2.2.6、罐身壁厚 14 mm，椭圆形封头厚 12 mm

2.2.7、每1m3谷氨酸发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为 4.18×6000kJ/(m3·h)

2.2.8、竖式蛇管换热器，传热系数K = 4.18×500kJ/(m2·h·℃)

第3章通用发酵罐的系列参考尺寸

3.1 通用发酵罐的系列尺寸

表1 发酵罐系列尺寸

公称容积罐内径圆柱高封头高罐体总高封头容积圆柱部分容积

50L 320mm 640mm 105mm 850mm 6.3L 52L

100L 400mm 800mm 125mm 1050mm 11.5L 100L

200L 500mm 1000mm 150mm 1300mm 21.3L 197L

500L 700mm 1400mm 200mm 1800mm 54.5L 540L

1.0m3900mm 1800mm 250mm 2300mm 0.112m3 1.14m3

5.0m31500mm 3000mm 400mm 3800mm 0.487m3 5.3m3

10m31800mm 3600mm 475mm 4550mm 0.826m39.15m3

20m32300mm 4600mm 615mm 5830mm 1.76m319.1m3

50m33100mm 6200mm 815mm 7830mm 4.2m346.8m3

100m34000mm 8000mm 1040mm 10080mm 9.02m3100m3

200m35000mm 10000mm 1300mm 12600mm 16.4m3197m3

表2 发酵罐相关参数

不计上封头

全容积搅拌桨直径搅拌转数电动机功率搅拌轴直径冷却方式的容积

58.3L 64.6L 112mm 470r/min 0.4kW 25mm 夹套

112L 123L 135mm 400r/min 0.4kW 25mm 夹套

218L 239L 168mm 360r/min 0.6kW 25mm 夹套

595L 649L 245mm 265r/min 1.1kW 35mm 夹套

1.25m3 1.36m3315mm 220r/min 1.5kW 35mm 夹套

5.79m3

6.27m3525mm 160r/min 5.5kW 50mm 夹套

9.98m310.8m3630mm 145r/min 13kW 65mm 夹套

20.86m322.6m3770mm 125r/min 23kW 80mm 列管

51m355.2m31050mm 110r/min 55kW 110mm 列管

109m3118m31350mm 列管

213m3230m31700mm 列管

3.2 发酵罐主要设计条件

表3 设计参数

项目及代号参数及结果备注

发酵产品谷氨酸

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

32℃根据任务书选取（工作温度）

设计温度150℃由工艺条件确定

冷却方式列管冷却由工艺条件确定

发酵液密度3

ρ由工艺条件确定

/

=

Kg

1080m

发酵液黏度2

3/

μ由工艺条件确定

?

=-

N?

10

0.2m

s

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

第4章谷氨酸生产工艺流程简介

4.1 谷氨酸发酵工艺技术参数

表4 主要工艺技术参数

生产工序参数名称

指标

淀粉质原料糖蜜原料

1 制糖（双酶法）淀粉糖化转化率% ≥98

2 发酵产酸率g/dl ≥8.0 ≥8.0

3 发酵糖酸转化率% ≥50 ≥55

4 谷氨酸提取提取收率% ≥86 ≥80 4.2 谷氨酸生产原料及处理

表5 原料及动力单耗表

序号物料名称规格

单耗(t/t)

淀粉原料大米原料糖蜜原料

1 玉米淀粉含淀粉86% 2.12

2 大米含淀粉70% 3.0

3 糖蜜含糖50% 3.97

4 硫酸98% 0.4

5 0.45 0.45

5 液氨99% 0.35 0.35 0.35

6 纯碱98% 0.34 0.34 0.34

7 活性炭0.03 0.02 0.10

8 水309 309 309

9 电2000Kwh/t 2000Kwh/t 2000Kwh/t

10 蒸汽11.4 11.4 11.4

谷氨酸发酵的主要原料有淀粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、乙醇、正烷烃(液体石蜡)等。国内多数谷氨酸生产厂家是以淀粉为原料生产谷氨酸的，少数厂家是以糖蜜为原料进行谷氨酸生产的，这些原料在使用前一般需进行预处理。

(一)糖蜜的预处理

谷氨酸生产糖蜜预处理的目的是为了降低生物素的含量。因为糖蜜中特别是甘蔗糖蜜中含有过量的生物素，会影响谷氨酸积累。故在以糖蜜为原料进行谷氨酸发酵时，常常采用一定的措施来降低生物素的含量，常用的方法有以下几种。

(1)活性炭处理法用活性炭可以吸附掉生物素。但此法活性炭用量大，多达糖蜜的30%～40%，成本高。在活性炭吸附前先加次氯酸钠或通氯气处理糖蜜，可减少活性炭的用量。

(2)水解活性炭处理法国内曾有人进行过用盐酸水解甘蔗糖蜜，再用活性炭处理的方法去除生物素的实验，并应用于生产。

(3)树脂处理法甜菜糖蜜可用非离子化脱色树脂除去生物素，这样可以大大提高谷氨酸对糖的转化率。处理时先用水和盐酸稀释糖蜜，使其浓度达到10％，pH达2.5，然后在120℃下加压灭菌20min，再用氢氧化钠调pH至4.0，通过脱色树脂交换柱后，将所得溶液调pH至7.0，用以配制培养基。

(二)淀粉的糖化

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：

1．酸解法用酸解法生产水解糖，其工艺流程如下：

原料(淀粉、水、盐酸)调浆→糖化→冷却→中和脱色→过滤除杂→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)糖化首先要在水解锅内加部分水，加水后将水解锅预热至100～105℃,(蒸汽压力为0．1～0．2MPa)随后用泵将淀粉乳送至水解锅内迅速升温，在表压为0.25～0.4MPa之间保压，一般水解时间控制在10～20min，即可将淀粉转化成还原糖。

(3)冷却中和温度过高易形成焦糖，脱色效果差；温度低，糖液黏度大，过滤困难。因此，生产上一般将糖化液冷却到80℃以下。

(4)中和淀粉水解完毕，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。

(5)脱色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。

(6)过滤除杂经中和脱色的糖化液要充分沉淀1～2h，待液温降到45～

50℃，用泵打人过滤器除杂质，过滤后的糖液送贮糖桶贮存，到此为止，淀粉糖化过程全部结束，制成的糖化液供发酵使用。

2．酶解法先用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

+、pH、氧传递率、排谷氨酸发酵中，应根据菌种特性，控制好生物素、磷、NH

4

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。为了实现发酵过程工艺条件最佳化，可采用电子计算机进行资料收集、数据解析、程序控制。收集准确的数据，如搅拌转速液量、冷却水人口温度和流量、通风量、发酵温度、pH、溶解氧、氧化还原电位等，还可准确地取样。控制操作者要求进行检测和及时处理比增殖速度、比产物形成速度、比营养吸收速度、氧的消耗速度等数据，使操作条件最佳化

4.3 谷氨酸生产工艺流程图

淀粉

↓

消泡剂—葡萄糖—消泡剂水—↓—水

无机盐—→配料罐→定容罐定容罐←配料罐←←—无机盐糖蜜—↓↓—糖蜜

玉米浆—二级种子罐连消器—玉米浆纯生物素—↓↓—纯生物素

实消维持罐

↓↓

斜面→一级种子降温换热器

↓↓—消泡剂

液氮→二级种培养发酵罐←—高浓度糖液

↑—液氨

无菌空气

图1 谷氨酸发酵工艺流程图

第5章 发酵罐选型及工艺计算

5.1 发酵罐的设计与选型 5.1.1 发酵罐的选型

选用机械搅拌通风发酵罐。 5.1.2 生产容积的确定 (1) 发酵罐容积的确定： 选用公称容积为60m 3的发酵罐。 (2) 生产能力的计算： 若取发酵罐的填充系数?=70%， (3) 发酵罐个数的确定：

公称容积为60m 3的发酵罐，其全容积为85.7m 3。 5.2 主要尺寸的计算

发酵罐是由圆柱形筒体和上、下椭圆形封头组成。为了提高空气利用率，罐的高径比取2。

D 2H =

椭圆形封头的直边高度忽略不计，以方便计算。

)

m ( 60 2 D 24

D 2 D 785 . 0 V 2 V V 3

3 2

= ?

+

? = + = 封 筒 全 )

m ( 60 V 2 V V 3

= + = 封 筒 全

解方程得

D=3.174 取3.2m 。 H=2D=6.4m

圆柱部份容积V 筒为： V 筒=0.785D 2×2D=51.45m 上、下封头体积V 封为：

V 封= π/24×D 3=4.29m 全容积验算：

V ‘全=V 桶+2V 封 =51.45+2×4.29=60.03m

全全V V '≈

符合设计要求，可行。 5.3 冷却面积的确定

根据本次设计内容，谷氨酸放得发酵热高峰值约2.508×104kJ/(m 3·h)[2]，则冷却面积按传热方程式计算如下：

m t K Q

S ?=

式中 S ——冷却面积，m 2 Q ——换热量，kJ/h ?t m ——平均温度差，℃

K ——总传热系数，kJ/(m 2·h ·℃) 85.7m 3灌装液量为：

85.7×70%=60 m 3

设发酵液温度32℃，冷却水进口温度20℃，出口温度27℃，则平均温度差

m t ?为：

C

t m ?=-----=

?27.1027322032ln

)

2732()2032(

采用竖式蛇管换热器取经验值K 取4.18×500kJ/(m 2·h ·℃)[1]， 5.4 搅拌器设计

由于谷氨酸发酵过程中有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。

该搅拌器的各部尺寸与罐径D 有一定比例关系，六弯叶涡轮搅拌器,D i :d i :L:B=20:15:5:4 现将主要尺寸列后[1]： 搅拌器叶径D i 为： D i =D/3=1.07m

取1.1m 。

KJ/h 1.504×106

60 10

4 508 . 2 Q = ? × = ) m ( . 90 8

500 18 . 4 1.504×106 t K Q S 2 m = ? ? = ? =

叶宽B 为：

弧长l 为：

底距C 为： C=C/3=1.07m 取1.1m 。 盘径d i 为：

叶弧长L 为：

叶距Y 为： Y=D=3.2m

弯叶板厚： δ=12mm

取两挡搅拌，搅拌转速N 2可根据50m 3罐，搅拌直径1.05m ，转速N 1=110r/min 。以等P 0/V(单位体积液体所分配的搅拌轴功率相同)为基准放大求得. 即：

3

22112d d n n ?

??? ??=

)

m ( 275 . 0 7.1 1 25 . 0 D 25 . 0 L i

= ? = = )

m ( 825 . 0 1 . 1 75 . 0 D 75 . 0 d i i = ? = = )

m ( 4125 . 0 1 . 1 375 . 0 D 375 . 0 l i = ? = = )

m ( 44 . 0 1 . 1 2 . 0 D 2 . 0 B i = ? = =

式中 n 2——放大的搅拌器的转速，r/min n 1——模型搅拌器的转速，n=110r/min [1] d 1——模型搅拌器直径，d=1.05m [1] d 2——放大的搅拌器直径，d=1.7m 将各值代入上式

)s /r (33.1min)/r (78.797.105.1110d d n n 3

23

2

2112==??? ???=???? ??=

取两档搅拌，搅拌转速79.78r/min 。 5.5 搅拌轴功率的确定 5.5.1 计算Re m

淀粉水解糖液低浓度细菌醪，可视为牛顿流体。

式中 D ——搅拌器直径，D=1.10m N ——搅拌器转速，60

111

=

N 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：

453

21010.69810

2108033.11.1Re >?=???=-m μ ρ

N D m 2 Re =

视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7 5.5.2不通气条件下的轴功率计算：

ρ=5

3p d n N P

式中 N p ——功率数,N p =4.7[3]

n ——搅拌器的转速，n=1.33r/s d ——搅拌器直径，d=1.1m ρ——流体密度，ρ=1080kg/m 3[3] 将各值代入上式

)(232.1910801.133.17.45353p KW d n N P =???==ρ 5.5.3 通气发酵轴功率计算：

39

.008.03

23g Q

nd P 1025.2P ???

? ????=-

式中 P ——不通气条件下的轴功率，P=169.56KW n ——搅拌器的转速，n=79.78r/mim d ——搅拌器直径，d=110cm

Q ——工况下的通气量，(发酵罐通风比：设通风比

VVm=0.2—0.4，取低限，如通风量变大，Pg 会小，为安全，现取0.2则

）（m l/m in 10122.0%707.856

?=??=Q

将各值代入上式

5.5.4 求电机功率电P

01

.1P 3

21g

?=

ηηη电P

采用三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得：

）

（电KW P 74.18201.198

.099.092.050

.161=???=

5.6设备结构的工艺设计 (1) 空气分布器： 本罐使用单管进风。 (2) 挡板：

本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。 (3) 消泡浆：

本罐使用圆盘放射式消泡浆。 (4) 密封方式：

本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。 (5) 冷却管布置：

使用的是竖直蛇管冷却装置。

5.7 竖直蛇管冷却装置设计

) KW ( 59.82 12000000 170 78 . 79 56 . 169 10 25 . 2 Q nd P 10 25 . 2 P 39 . 0 08 . 0 3 2 3 39 . 0 08 . 0 3 2 3 g = ? ? ?

? ? ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? ? ? = - -

(1) 求最高热负荷下的耗水量W 为：

)

t t (C Q W 12p -=

总

式中 Q ——每1m 3醪液在发酵最旺盛时，1h 的发热量与醪液总体积的乘积，

C p ——冷却水的比热容，C p =4.18kJ/(kg ·℃)[2] t 2——冷却水终温，t 2=25℃ t 1——冷却水初温，t 1=19℃ 将各值代入上式

)/(67.16)

1925(18.410504.1)t (612p s Kg t C Q W =-??=-=总

冷却水体积流量为0.0589m 3/s ，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s ，根据流体力学方程式，冷却管总截面积总A 总为：

V

W A =

总 式中 W ——冷却水体积流量，W=0.0411m 3/s V ——冷却水流速，V=1m/s

代入上式

）（总2m 0589.01

0589.0===

V W A 进水总管直径d 总为：

KJ/h 1.504×106

60 10

4 508 . 2 Q = ? × =