生物发酵反应釜的设计(机械CAD图纸)

摘要

本篇主要设计以玉米为原料生产活性高硒酵母的过程机械设备。将重点设计生物发酵反应釜及糖化罐，同时也包括实现生产高硒酵母工艺流程的其它过程设备：糖化罐、营养盐罐、酸碱罐，分离机、干燥机及管道、泵体，阀体，和电气控制等重要方面的研究设计和选型。本次设计是在确定高硒酵母的生产工艺流程及相关成产参数之后的基础上进行的。其生产工艺流程：加水——玉米粉——搅拌——蒸煮糊化——冷却——糖化——冷却上层清夜——冷却——发酵接种培养——离心分离——干燥。根据它们各个流程所需的化工设备的作用，把它们放在三个车间，各个车间用管道连接起来。酵母生产主要有三个生产车间，即原料制备车间、发酵反应车间和干燥分离车间。酵釜选为间歇式搅拌釜，供中室试验和工业生产流程数据放大用。整个过程分为三个主要阶段：备料阶段、发酵阶段和干燥分离阶段。而以设备型式为标准则可分为：硬件系统和软件系统。实现发酵系统的微机在线控制检测。在反应釜，糖化罐重点设备设计时，主要对釜（罐）体，换热装置，搅拌装置，传动装置和轴封结构进行设计。本次设计的过程中对电气控制部分也作扼要的阐述。希望设计出合理、稳定、安全，经济和实用的设备，能最佳的实现高硒酵母的生产。

关键词：玉米发酵过程在线控制

目录

中文摘要 (1)

1.概述 (2)

2.工艺分析 (2)

2.1糖液的制备 (2)

2.2营养盐的配 (3)

2.3酵母的培养 (3)

2.4酵母的分离和干燥 (3)

3.部分设备分析 (3)

4.发酵釜罐体的设计 (4)

4.1直径的计算 (4)

4.2封头厚度的设计 (5)

4.3保温设备的选择 (7)

4.4计算筒体的高度 (7)

5.发酵釜搅拌系统的设计选型 (8)

5.1搅拌混合机理 (8)

5.2搅拌器形式的选择 (8)

5.2.1叶轮在釜中的位置 (9)

5.2.2叶轮的个数和布置 (9)

5.2.3搅拌附件:挡板 (9)

5.3搅拌功率的计算 (9)

5.3.1功率关联式 (9)

5.3.2计算搅拌功率 (12)

5.4搅拌轴的设计 (12)

5.4.1设计计算 (12)

5.4.2搅拌轴刚度的校核 (13)

5.4.3搅拌轴的支持条件 (14)

5.5电动机功率确定 (15)

6.糖化罐设计概述 (16)

6.1糖化概论 (16)

6.2糖化罐的工作原理与结构 (16)

6.2.1釜体 (17)

6.2.2换热装置 (17)

6.2.3搅拌装置 (17)

6.2.4传动装置 (17)

6.2.5轴封结构 (18)

6.3糖化罐的设计计算 (18)

6.3.1糖化罐机械设计的依据 (18)

6.3.2糖化罐的基本要求 (18)

6.3.3糖化罐体积的确定 (18)

6.4确定筒体和封头形式 (19)

6.4.1罐体的直径和高度 (19)

6.4.2选择夹套的类型及尺寸 (20)

7.搅拌装置的机械设计 (23)

7.1原理及选型 (23)

7.2搅拌器的功率的计算 (24)

7.2.1搅拌器的功率 (24)

7.2.2搅拌器的强度计算 (25)

7.2.3搅拌轴设计 (26)

7.2.4搅拌轴刚度的校核 (27)

7.3传动装置的设计与选型 (29)

7.4轴封装置 (29)

8.工艺管口 (30)

9.营养盐罐的设计计算 (31)

10.酸、碱液罐的设计计算 (32)

11.传感器的设置和选取 (33)

12.总结 (33)

参考文献 (35)

1.概述

本设计是以玉米为原料生产高硒酵母的试验和工业化生产提供技术装备，同时稍加改装也可用于其他类型的化学，生物反应设备，其用途相当广泛。

我国是农业大国，但并不是农业强国。以玉米为例，玉米是我国的主要经济作物之一。种植面积广泛，产量较大，但其深加工量不到玉米产量的两成。致使玉米大量积压，严重影响综合效益和农民收入水平。

而我国现有的生产加工设备工艺落后自动化水平低，生产工艺及生产参数计算机控制应用不广泛。如果本设计能顺利实现工业化生产的要求，可以为我国居民的食品营养又添新色，同时也可以为玉米的深加工提供又一条途径，为解决“三农问题”，实现和谐社会的目标做出贡献

本次设计牵涉的知识面较广，要设计的是一个系统，而不是个单一的零件或者部件，要独立完成一定的功能。要求能满足发酵过程的全部工艺要求。而且要求有较高的自动化程度，能够实现微机处理的发酵过程在线检测、控制。这就将整个系统分为两大部分：硬件部分和软件部分。

硬件机械部分的设计、计算和选型应和系统的生产能力相匹配，不能使资源浪费，更不允许出现部件的选择达不到生产的需要。要求各生物发酵中设备的功能可以满足生物发酵工艺过程设计的需要，满足发酵的中试需要，并为将来放大为工业生产提供更确切的数据模型资料；机电一体化程度高，能够实现微机实时在线检测、控制；要求发酵各设备强度、刚度满足生产要求，运行可靠、稳定，无噪声；造型简洁美观，易于打扫、清洗。

软件部分各电器元件的选择应和要检测的物理量相适应，芯片的处理能力和速度能满足生产要求。电器元件和芯片的数模转换顺利，兼容性强，通用性好。各数据接口和硬件设计中开口衔接过渡合适，密封容易有效。各电气元件的数据接口和PLC控制芯片的数模转换对接、兼容性好。

2.工艺分析

2.1糖液的制备

把优质玉米粉放入蒸锅中，加入一定量的水煮一个小时左右。煮的过程中要不停的搅拌，防止玉米粉结成团块，出现内生外熟的现象。淀粉糊化后，冷却至

55~60摄氏度。糖液用水稀释至20~25度巴林。离心分离得到上层清夜作为培养液。糖液的制备过程中所加入的淀粉酶的量应与原料的量相对应，就得到生产所须的糖液。

2.2营养盐的配置

酵母的生产制作过程中所须要的营养盐主要是含氮，含磷的无机盐类。常用

的磷盐有过磷酸钙，正磷酸钙。溶解配置时按盐和水的比例为

()10

~

8

:1的比例

配制成营养盐液，先取一定量的过磷酸钙盐溶于8倍的水中，然后再取相同质量的硫酸铵。在混合液中，硫酸铵和过磷酸钙发生反应，生产硫酸钙沉淀和磷酸二氢铵，经过澄清以后，去掉沉淀，得到澄清液体便可供使用。

2.3酵母的培养

在发酵反应器中，首先把糖液和营养盐在一定的稳定下灭菌，然后进行冷却。在培养的过程中不断加入糖液，同时不断的搅拌，使得酵母有足够的氧气，以利于酵母更好的生长。

接种时要保证严格的无菌条件，接种所用的器具要经彻底的灭菌，以防止培养时受到杂菌的污染。发酵时要严格控制反应器内的温度，因为稳定是影响微生物生命活动的重要条件，所以要选择和控制最合适的温度。反应液PH值的高低也对酵母的生产影响较大。如果PH值过高或者过低都会影响酵母的新陈代谢的进行，以致影响产品的质量和产量。

2.4酵母的分离和干燥

酵母生产中采用的分离方法有化学、生物和机械法。实际生产中常用的是机械法，主要设备是离心机，转速为4800~6500转/分钟。利用酵母和发酵液中其他物质质量的不同，在高速旋转的转鼓产生的离心作用力下，把酵母提取出来。我们的设计工艺流程所用的就是机械的离心分离法。

在离心分离机的离心杯下可以得到酵母泥，然后干燥酵母。为了使酵母具有充分的活性，必须在低温下进行干燥。把酵母泥置于热风干燥箱中，通入温度为34~35摄氏度的空气流进行干燥。在这种条件下，只能除掉细菌表面及细菌内的水分，所以能使酵母具有充分的活性。水分含量高时，酵母保持活力的时间会变短。所以要控制好通入的热空气的流量。

3.部分设备分析

整个过程分为三个主要阶段：备料阶段、发酵阶段和干燥分离阶段。而以设备型式为标准则可分为：硬件系统和软件系统。本设计中以硬件计算为主，实现发酵系统的微机在线控制检测。微机控制利用现有的传感测量装置和软件，只涉及各系统元件与控制软件的接口兼容性，而不进行控制系统的编程，编程部分有从事计算机专业设计。

备料阶段的主要设备：糖罐：设计计算获得。

营养盐罐：设计计算获得。

酸、碱罐：设计计算获得。

发酵阶段的主要设备：发酵罐：设计计算获得。

干燥阶段的主要设备：实施三阶段分离，需八台保留固体式离心机，及其配套的电动机经计算选型后外购。

干燥塔：外购。

各泵，管道，阀门和电器元件经计算选型后外购。

需要实现的在线控制、检测的数据包括：温度、液体流量、空气流量、速度、PH值、液位和压力。具体体现在各阶段的参数测定：

备料阶段：糖罐内压力、液位、温度、流量;营养盐罐内压力、液位、温度、流量；碱液罐内液位、流量；酸液罐内液位、流量。

发酵阶段：发酵罐内压力、空气流量、温度、液位、PH值和搅拌转速。

干燥分离阶段：八个分离机各泵流量、干燥空气温度和流量。

可见各罐体为本设计的重点，又以发酵罐为发酵系统的主要设备作为本设计的重中之重。而对发酵系统工艺数据的数据建模在发酵罐中的应用和发酵罐在保证安全使用前提下的优化设计以及各控制、测量装置和电器元件的数模转换和控制系统的兼容性则为本次设计的难点，但不是本设计的重点。

4.发酵釜罐体的设计

搅拌反应器的机械设计是在工艺设计后进行的，本设计以体积100L的发酵釜为设计样本，发酵釜选为间歇式搅拌釜，供中试试验和工业生产流程数据放大用。

5.发酵釜搅拌系统的设计选型

5.1搅拌混合机理

在搅拌釜中，通过叶轮的旋转把机械能传送给物料，造成液体的强制对流，混合过程是在强制对流作用下的强制扩散过程。强制扩散过程包括主体对流扩散和涡流扩散。

搅拌叶轮将能量输送给液体，产生一股高速液流，并推动周围的液体，造成

全部液体在釜内的流动。这种在整个釜内的循环流动称为 “宏观流动”,由此产生的全釜范围的扩散为主体对流扩散。当叶轮产生的高速液流通过静止的或者较低的运动速度的流体时，在高速流体与低速流体界面上的流体受到强烈的剪切作用，产生大量漩涡。这些漩涡迅速向周围扩散，一方面把更多的流体夹带到宏观流动的液体中，另一方面形成局部范围内的物料作快速而紊乱的对流运动。这种漩涡运动称为“微观流动”，由漩涡运动造成的局部范围内的对流扩散称为涡流扩散。叶轮对流体的直接剪切作用当然也造成强烈的漩涡运动。任何达到最终分子尺寸度均匀还必须通过分子扩散。 5.2搅拌器形式的选择

流动状态有轴向流动、经向流动和环向分流。多在层流、过度流状态时操作。

叶轮直径与搅拌直径的比值：

T D D

《化学反应器分析》P56 表3-1平桨时取0.35~0.83 黏度较低，转速较高 选0.5 计算得: 0.5 1.0.5 1.5T D D m ==?= 5.2.1叶轮在釜中的位置

在工业装置中常将叶轮安装在釜中心线上，叶轮到釜底的距离i H 一般为一个叶轮直径。

5.2.2叶轮的个数和布置

搅拌釜中采用叶轮的个数取决于釜内液层深度L H 与釜径()i T D D 当

25

.1≥T

L

D H 时则采用多个叶轮。叶轮之间的距离应为1.0~1.5倍叶轮直径。若

叶轮轮距相距太远，则在各个叶轮的作用场之间可能形成为受到搅拌的区域。倘若相距太近则来自相邻叶轮的液流可能互相干扰而起不到充分混合的作用。 5.2.3搅拌附件: 挡板

挡板是指长条形的竖向固定在搅拌反应器内壁上的板，它是消除反应器内物料“打旋”现象的有效措施之一。挡板的作用还在于转换切向流为径向流或轴向流。增强液体的对流循环强度充分利用桨叶输入的能量，增大湍流程度，提高搅拌效果。若搅拌反应器内的折流挡板数目恰到好处，再增加挡板数也不会使搅拌器的功率增加，而且也不会改变搅拌效果，少装则不能消除现象。这种装有适宜

数目的挡板称为“完全挡板”。实践证明，安装四块宽度为容器（i D

101）的折

流挡板可以完全消除“打旋”现象。

选四片i D

101宽度的挡板。

5.3搅拌功率的计算

搅拌釜内液体运动的能量来自叶轮，叶轮功率消耗的大小是釜内液体搅拌程度和运动状态的量。同时，又是选择电动机功率的依据。搅拌需要的功率取决于所期望的流行和湍流程度。具体地说，搅拌功率是叶轮形状和大小、转速、液体性质、搅拌釜的尺寸和内部构件以及叶轮在釜内位置的函数。

考虑到设备不允许有污染还要满足设计的机械要求，轴的材料选用1Cr18Ni9Ti，搅拌轴承受扭矩和弯矩联合作用，而主要是承受扭矩，弯矩的作用

不大。所以在工程应用中常用近似的方法来计算以承受扭矩作用为主的轴。它假定轴只承受扭矩的作用，然后用增加安全系数以降低材料的许用应力来弥补，由于忽略受弯矩作用而引起的误差，轴扭转时其截面上长生剪应力。