苏氨酸发酵设计word版

一、设计方案

天然存在的L- 苏氨酸为无色或微黄色晶体，无臭、微甜,可溶于水,20℃时溶解度为9g/100mL，难溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂，熔点为253～257℃。L- 苏氨酸的解离常数为pKCOOH=2.15，pKNH2=9.12，等电点pI（25℃）=5.64。

目前，L- 苏氨酸的制备方法主要有生物合成法、化学合成法和蛋白质水解法三种。然而，在工业化生产中，化学合成法和蛋白质水解法由于存在一些缺陷已经基本不被使用。生物合成法则因生产成本低、资源节约、环境污染小等优点逐渐成为工业化生产L- 苏氨酸的主要方式。生物合成法包括直接发酵法和酶转化法两种。微生物发酵法生产苏氨酸是目前生产苏氨酸的主要方法。采用基因工程菌进行发酵法生产，产酸可达100g/L 以上。目前国内外已经利用微生物发酵法批量生产苏氨酸。

1.1 设计条件

（1）650L苏氨酸发酵罐，分批发酵；

（2）主发酵罐的尺寸及附件的设计；

1.2 发酵工艺

发酵法生产L-苏氨酸,通常采用短杆菌属细菌的α-氨基-β-羟基戊酸(AHV)和S-(2-氨基乙基)-L-半胱氨酸(AEC)双重抗性变异。

图一 苏氨酸发酵工艺流程

1.3. 发酵罐尺寸及整体设计

罐中的培养液因通气和搅拌会引起液面上升和产生泡沫，因此罐中实际装料量V 不能过大，一般取装料系数为0.6～0.75。

取装料系数o η为0.6 ,则发酵罐需装料体积为：

L V V 3906.065000=?=?=η

发酵罐尺寸确定

发酵罐体部分的尺寸有一定的比例，罐的高度与直径之比一般为1.7～4倍左右。

1.3.1 确定发酵罐直径和高度

标准式发酵罐的筒体高度和直径比：H/D 约为1.7~4

发酵罐的容量一般指圆筒体的体积加椭圆形底的体积。

V 0 = V C +2 V b

Vc=(π/4) D 2 H 0

V b =(π/4)D 2(h b +2/3h a )≈1.5D 3

式中：V 0—发酵罐全容量，m 3；

V C —圆柱部分体积，m 3；

V b —椭圆底体积，m 3；

H 0—圆柱部分高度，m.

因此： V 0 = V C + V b = (π/4) D 2[H 0+2(h b +1/6D)]

取 H 0/D = 2

V 0 = (7π/12)D 3 +(2π/4)D 2

h b

可知：D=0.69m ， 椭圆短半轴长度：h a =0.25D=0.25×0.69=0.1725

可知：D=0.69m

则有：H 0=2D=1.38 m D i =1/3D=0.23 m S=3D i =3×0.23=0.69m C=D i =0.23 m

B=0.1D=0.1×0.69=0.069 m h a =0.25D=0.25×0.69=0.173 m

不同设备的厚度不同，h b 可取30 mm 、40 mm 、50 mm 。根据我们的发酵设备。取h b =64mm 。 h=h a + h b =0.173+0.64=0.237 m

则 罐体高 H=1.854m

1.3.2 发酵罐圆筒壁厚的计算

罐壁厚：S 1=()[]C P D P +Φ???-2σ 式中，P ——设计压力，取最高工作压力的1.05 倍，P=0.4MPa

D —发酵罐内径，D=69cm

[σ]—A3 钢的许用应力，[σ]=170M Pa

φ焊缝系数，双面焊对接接头：10000无损检测：φ=1.00；局部检测：φ=0.85

单面焊对接接头：：10000无损检测：φ=0.9；局部检测：φ=0.8

对于受压缩应力的原件：φ=1.0

在此设计中，取φ=0.8.

C=3mm

得S 1=13.16mm

1.3.3 封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下: C P

PDy S +Φ=-][(22）σ 式中，y ——开孔系数，取2.3

得S 2=26.37mm

圆筒壁厚：S

=27mm

1

椭圆封头壁厚：S2=14mm

许用压力：[P]=170MPa。

1.4 手孔的设计

手孔的设计，参考《中华人民共和国机械行业标准锅炉手孔装置》，选择实际的尺寸，手孔选择为D 80×94—85 JB/T 2191 。

二、计算

2.1通风量计算

通风管的管径计算：该罐实装液量0.393m ，设0.1h 内排空，则物料体积流量 00108.01

.0360039.0=?=

Q 发酵液流速取V=1m/s

则排料管截面积为物F 00108.0100108.0===V Q F 物m 2 2785.0F d =物，则管径m 037.0785

.000108.0785.0===物

F d 若按通风管计算，压缩空气在0.4MPa 下，支气管气速为20m/s

通风比 0.2vvm

20C 0，0.1MPa 下，Q=0.39×0.2=0.078s /m 0013.0min /m 33=

计算到0.4MPa ，37C 0状态下， 0003439.020

273372734.01.00013.0++??=Q m 3/s 取风速v=20m/s ，则风管截面积f F 为： 2f f m 00001719.0=20

0003439.0=v Q =F 2f d 785.0F 气=，则气管直径气d 为： m 00468.0785

.000001719.0d ==气 因通风管也是排料管，故取两者的大值，取排料管径

排料时间复核：物料流量Q=0.00108s /m 3，流速v=1m/s ，

管道截面积F=037.0785.0?2=0.001075m 2

在相同流速下，流过物料因管径较原来计算结果小，

则相应流速比为0047.1=1

×001075.000108.0=FV Q =P 倍， 排料时间t=0.1×1.0047=0.10047h。

2.2 传热量的计算

发酵罐的传热装置有夹套、内蛇管、外盘管。一般容积较小的发酵罐采用夹套为传热装置，所以本设计选用夹套为传热装置。

通常将发酵过程中产生的净热称为发酵热，其热平衡方程可如下表示：

辐射空气搅拌生物发酵Q Q Q Q Q --+=

换热面积 m t K Q F ??=

总

发酵热效应：液发酵总V Q Q ?=

Q 发酵—发酵热，3×104 k J/h.m3（L-苏氨酸）

V 液—发酵液体积，m 3。

则 Q 热= 3×104× (0.65×0.6)=1.17×104 kJ/h 。

2.2.1 冷却水量计算

发酵过程, 冷却水系统按季节气温不同, 采用冷却水系统也不同，为了保证发酵生产, 夏季必须使用冰水。

C —冷却水的比热容，4.18kJ/(kg.K)

冬季：采用循环水进口水温15℃, 出口水温20℃；

夏季：采用冰水进口水温10℃, 出口水温20℃。

冬季冷却用循环水用量计算：（取裕量系数1.2）

1W =）（冷

12t -t C Q =循环水入口温度）（循环水出口温度比热发热效应-??2.1=0.67吨/小时 取1吨/小时

夏季冷却用循环水用量计算：W 2=0.336 吨/小时

取0.5吨/小时

2.2.2 冷却器面积计算

m

K Q F t ??=总

Q 总—发酵热效应,kJ/h;

夹套的传热系数通常为630~1050 kJ/(m 2·h·℃)，取传热系数K 为850 kJ/(m 2·h·℃)。 △t m —对数平均温差： 39.19t -t t -t ln t -t -t -t t 2

r 1r 2r 1r m ==?）（）（℃

71.039

.1985011700=?=F m 2

三、设备选型

3.1 搅拌器的选择

机械搅拌通风发酵管的搅拌涡轮有三种形式，可根据发酵特点、基质以及菌体特性选用。本次试验选用六弯叶涡轮搅拌器。

六弯叶涡轮搅拌器：搅拌器叶径D i =D/3=0.69/3=0.23m 取转轴直径d=0.04m 叶宽 B=0.2 D i =0.2×0.23=0.046m

弧长 l=0.375d=0.375×0.04=0.015m

底距 C=D i =0.23m

盘径 d i =0.75×D i =0.75×0.23=0.1725m

叶弦长 L=0.25D i =0.25×0.23=0.0575m

搅拌器叶距 S=D=0.69m

弯叶板厚 δ=12mm

搅拌转速N 2可根据50m3罐，搅拌器直径1.05m ，转速N 1=110r/min ，以等P 0/V 为基准放大求得：N 2=323221123

.005.1110D D N ）（）（?==303（r/min ） 搅拌轴功率的计算 通风搅拌发酵罐，搅拌轴功率的计算有许多种方法，现用修正的迈凯尔式求搅拌轴功率，并由此选择电机。

3.1.1 计算R em

R em =μρ

N D 2

式中 D —搅拌器直径，D=0.23m

N ---搅拌器转速，N=303r/min

Ρ—醪液密度，ρ=1080k g/m3

Μ—醪液粘度，μ=2.0×10-3N.S/㎡

将数代入上式：R em =3

-22100.2108030323.0N D ???=μρ=8.66×107＞104

视为湍流

3.1.2 计算不通气时的搅拌轴功率P 0：