华南理工大学发酵工厂设计第六章设备的设计与选型final
发酵工厂设计课程设计
发酵工厂设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握发酵技术的概念、原理和应用范围。
2. 学生能了解发酵工厂的组成、工作流程及其在生产中的应用。
3. 学生能掌握发酵过程中影响菌种生长、代谢的主要因素。
技能目标：1. 学生具备设计简单发酵实验方案的能力，能运用所学生物技术解决实际问题。
2. 学生能运用发酵技术进行产品制备，具备初步的产品分离、提纯和鉴定能力。
3. 学生通过小组合作，能够进行发酵工厂设计，提高团队协作和沟通能力。
情感态度价值观目标：1. 学生对生物技术产生浓厚的兴趣，树立科学探究和创新意识。
2. 学生能够关注发酵技术在生产生活中的应用，认识到生物技术对人类社会发展的意义。
3. 学生在发酵工厂设计过程中，培养环保意识、责任感及工匠精神。
课程性质：本课程为生物技术领域的实践性课程，结合学生年级特点和教学要求，注重理论知识与实际操作的结合。
学生特点：学生具备一定的生物学基础，具有较强的求知欲和动手能力，喜欢通过实践探索未知。
教学要求：要求学生在掌握基本理论知识的基础上，通过发酵工厂设计，将所学知识应用于实际操作中，提高解决问题的能力。
同时，注重培养学生的科学素养、团队协作能力和创新精神。
通过本课程的学习，使学生达到上述具体、可衡量的学习成果。
二、教学内容1. 发酵技术基本概念与原理：包括发酵定义、菌种选育、培养基制备、发酵过程控制等，对应教材第3章内容。
2. 发酵工厂组成与工艺流程：介绍发酵罐、控制系统、产品分离提纯设备等，分析发酵工艺流程，对应教材第4章内容。
3. 影响发酵过程的主要因素：探讨温度、pH、溶氧、转速等对发酵过程的影响，对应教材第5章内容。
4. 发酵实验设计与实施：学习设计实验方案，进行发酵实验操作，观察记录发酵过程，对应教材第6章内容。
5. 发酵产品制备与鉴定：学习产品分离、提纯方法，对发酵产品进行鉴定，对应教材第7章内容。
6. 发酵工厂设计与实践：结合所学知识，分组设计发酵工厂，进行模拟实践，对应教材第8章内容。
发酵工厂工艺设计
生产工艺设计的依据、内容和深度
设计的主要依据： (1)可行性研究报告以及设计计划任务书。 (2)项目工程师或项目总负责人下达的设计工作提纲和总工程
师作出的技术决定。 (3)如采用新原料品种、新技术和新设备时，必须在技术上有
二、基本建设程序内容
1．建设前期阶段
工作内容包括： 项目建议书 可行性研究报告 设计任务书 初步设计 总概算
工作程序为：
一个工程项目从社会发展、工业布局、市场需求和 地区、行业发展规划—→项目建议书—→前期工作计划— →可行性研究—→设计任务书—→上报审批—→初步设计、 总概算工作—→初步设计图纸、文件、总概算—→上报审 批
发酵工厂工艺设计概论
发酵工厂工艺设计概论
绪论 第一章 基本建设程序 第二章 厂址选择 第三章 工厂总平面设计 第四章 工艺流程设计 第五章 工艺计算 第六章 设备的设计与选型 第七章 车间布置设计 第八章 设计说明书 第九章 工艺设计图
绪论
课程的目的和任务：
目的：培养学生具备工厂工艺设计的能力， 结合毕业实习和毕业设计，完成工程师的 综合性基本训练。
局部设计：
凡是设计的范围不涉及整个工业企业的全部内 容，而只是其中的某些部分，甚至于某一个部分 或某一个设备，称局部设计。——新建厂的设计一般属于
总体设计，扩建厂的设计一般属于局部设计者居多。
总体设计的范围：
发酵工厂总体设计的范围包括了企业内应该 配置的一切单项工程的完整设计，一般包括总平 面布置、生产车间、动力车间(如锅炉房、变电站、 给排水工程等)、厂内外运输（物流）、自控仪表、 采暖通风、环境保护工程、福利设施、办公楼、 技术经济与概算等单项工程设计。
发酵工厂设计 第六章 设备的设计
设备数量确定的通用公式：
N V0 24Va
3、设备容积的计算
V V0 24
4、设备的主要尺寸的计算
发酵工厂的设备多为容器类设备，封头 的形式与高径比的确定是设备主要尺寸计 算的关键。
计算得到的直径应将其值圆整到接近的 公称直径系数，然后校核总容积是否可满 足工艺计算的容积要求。
（二）连续操作设备的生产能力、数量和容 积的计算
2、设备数量的确定
设备数量与单台设备的生产能力、操作 周期、每天的操作量有关。
从经济性上出发，同等生产规模，选择 单台设备容量大些、台数少些，投资费用 和管理费用较少。
还要从工艺上出发，确定单台设备的大 小，如：发酵罐每天投料2-3批；啤酒大罐 15-20小时满罐；搅拌罐要防止加入的液化 酶作用时间过长。
一、通用设备选型注意事项 1、通用设备选型，物料的性质（温度、压 力、黏度、腐蚀性能、燃烧性能、爆炸性 能）是关键； 2、通用设备都有自己选型的关键参数，计 算准关键参数才能正确的选型； 3、通用设备选择应略大于选型参数； 4、选型资料来源于通用设备选型手册和产 品样本；
5、通用设备也有间歇和连续操作的区分； 6、不要选择耗能高，已经淘汰的老产品； 二、各种通用设备的选型参数
1、生产能力
其生产能力为单位时间通过设备的物料 量，即流过设备的物料体积或质量流量。
2、设备容积
V有效 V
3、设备数量
连续操作设备为保证反应的充分均匀， 防止滞留和滑漏现象，一般取设备数量3-5 个。
n V有效
V '
4、设备主要尺寸
大多为容器类设备，与间歇操作设备主 要尺寸的计算方法相同。
四、计算与选型实例：3000吨/年味精发酵车 间设备设计
发酵工厂设备的设计与选型
发酵工厂设备的设计与选型随着生物工程和生物技术的不断发展，发酵工厂在食品、医药、化工等领域中扮演着越来越重要的角色。
发酵工厂的设备设计与选型直接影响着生产效率和产品质量，因此在建设发酵工厂时，需要认真考虑设备的设计与选型问题。
首先，发酵工厂的设备设计应考虑到生产工艺的特点。
不同的发酵工艺需要不同的设备，比如传统的罐式发酵工艺需要发酵罐、搅拌器、温度控制系统等设备，而固定床发酵工艺则需要发酵床、通风系统等设备。
因此，在设计发酵工厂设备时，需要根据具体的生产工艺来选择合适的设备。
其次，发酵工厂的设备选型应考虑到生产规模和产品种类。
不同规模的发酵工厂需要不同规格的设备，小型发酵工厂可以选择小型设备，而大型发酵工厂则需要大型设备。
此外，不同的产品种类也需要不同的设备，比如食品发酵工厂需要食品级的设备，医药发酵工厂需要医药级的设备。
因此，在选型时，需要根据生产规模和产品种类来选择合适的设备。
另外，发酵工厂的设备设计与选型还应考虑到生产环境和安全问题。
发酵工厂通常需要在一定的温度、湿度和通风条件下进行生产，因此设备的设计应考虑到生产环境的要求。
此外，发酵工厂涉及到微生物的培养和生长，因此设备的选型还应考虑到生产过程中可能产生的气体、液体和固体废物的处理和排放，以及设备的防爆、防腐、防污染等安全性能。
最后，发酵工厂的设备设计与选型还应考虑到生产成本和能源消耗问题。
在设计设备时，需要考虑到设备的生产成本、维护成本和能源消耗，选择性能优良、能效高、维护方便的设备。
此外，还可以考虑采用节能环保型设备，比如采用新型材料、新工艺和新技术，提高设备的能源利用率，降低生产成本。
综上所述，发酵工厂设备的设计与选型是一个复杂的工程，需要综合考虑生产工艺、生产规模、产品种类、生产环境、安全性能、生产成本和能源消耗等多个方面的因素。
只有在全面考虑这些因素的基础上，才能设计出合理、高效、安全、节能的发酵工厂设备，从而保障生产效率和产品质量。
发酵工程设备与工厂设计大纲(共12页)
课程名称：发酵工程(gōngchéng)设备与工厂设计英文名称：Fermentation engineering equipment and design of engineering plant课程(kèchéng)编码：学时(xuéshí)/学分：48/2适用专业与层次：生物工程、本科一、课程的教学目的和任务《发酵工程设备与工厂设计》包括两个部分，一是《发酵工程设备》课程，另一个是《生物工程工厂设计》，前者的任务主要是通过课堂教学和课外练习，使学生掌握生物工程的设备流程、设备结构及工作原理，主要设备的设计计算及选型，了解设备的安装与维修。
同时，了解国内外生物工程设备的新技术和发展趋势。
通过学习，提高学生独立分析和解决问题的能力，增强学生的动手能力，培养工程素养。
本课程既有有一定基础理论，又有较强的工程实际应用，使本专业学生成为能在生物技术与工程领域从事产业化设计、生产、管理和新技术研究、新产品开发的工程技术人才，为以后工作奠定基础。
《生物工程工厂设计》是生物工程专业一门专业选修课程，学位课。
该课程是生物工程技术和化学工程与设备交叉的结合体，是一门实践性很强的学科。
课程主要介绍生物工程产业界常见的工业生产设备及生物工程研究领域的主要设备的基本原理、结构、特点、设计选用计算方法及发酵车间工艺设计。
本课程既有一定基础理论，又有较强的工程实际应用，使本专业学生成为能在生物技术与工程领域从事产业化设计、生产、管理和新技术研究、新产品开发的工程技术人才。
通过本课程的学习，懂得如何应用这些基本理论去分析和解决生产过程中的具体问题，改造原有生产过程使其更符合客观规律，实现生产过程的优化，提高生产过程的经济和社会效益。
二、课程内容和基本(jīběn)要求1 原料(yuánliào)的预处理及输送设备1.1 固体物料(wù liào)的输送设备1.2 固体物料的预处理及粉碎设备1.3 液体物料的输送及均质设备基本要求：掌握固体物料的预处理及粉碎设备，理解液体物料的输送及均质设备。
发酵设备课程设计
年产15万吨木薯干酒精工厂的设计附：设计依据及设计范围（1）、设计依据原始数据如下：生产要求：年产150，000吨医药酒精，酒精含量%（V）生产原料：木薯干片年生产天数：300天厂址选择：南方某城市（符合建厂条件）气候条件：良好最高气温：38℃最低气温：4℃平均气温：20℃最高湿度：95% 平均湿度：78%主导风向：冬季东北风夏季东南风河水温度：最高30℃最低10℃深井水温度：最高25℃最低：20℃自来水温度：最高31℃最低：14℃（2）、设计范围：○1. 工艺流程的选取与论证○2. 全厂水、电、汽及原料耗用量的平衡计算○3. 设备的设计与计算○4. 安全防火、经济核算、三废处理途○5. 绘制重点车间设计施工图○6. 编写设计说明书设计说明书前有中、英文摘要各一份。
重点车间：原料蒸煮车间重点设备：糖化罐绘图内容：○1.重点车间工艺、设备流程图（带自动控制点）○2．重点车间设备平面布置图○3.重点设备装配图目录1 工艺流程的选取与论证2 物料及热量衡算3 酒母制造4 液化罐与糖化罐设计5 安全防火、三废处理1 工艺流程的选取与论证1.（1）原料预处理：木薯干片原料较大块，不易在一次粉碎达到要求，故采用二次粉碎以提高粉碎度[4]。
（2）调浆：采用一个冲量计进行粉水自动化调浆，实现了自动化生产过程，减轻了工人劳动强度。
（3）蒸煮工艺：采用带喷雾转盘的锅式低温常压连续蒸煮方法，生产条件温和，操作安全、简便，热利用率高，节省了蒸汽、能耗，提高了淀粉利用率和设备利用率。
（4）糖化酶的利用：该酶活性高，用量少，配制成溶液即可投入使用，不用进行高温蒸煮，节约了资金、能源，且快速、易操作。
（5）糖化工艺：采用真空前冷却的连续糖化法，使冷却用水用量大大减少，可将醪液在瞬间降低到相应的温度，冷却好的醪液连续进入糖化锅，锅内有搅拌器，冷却器，使糖化温度得以保证。
（6）发酵工艺：采用连续发酵，缩短了发酵周期，提高设备利用率，便于实现自动化、连续化，降低了生产成本。
精选华南理工大学发酵工厂设计第六章设备的设计与选型
1．间歇操作设备生产能力的确定生产能力的表示方法，一般为t／(罐·批)或m3／(罐·批)。例如3000t／a味精厂选容积为100t的发酵罐，其生产能力为：100×70％×15％×48％×80％×112％ (1-1％)＝4.47[t／(罐·批)]100——发酵罐容积(t) 15％——发酵初糖浓度70％——填充系数 48％——发酵转化率80％——提取率 112％——精制收率1％——染菌率
平板式换热器
平板式换热器简称板式换热器，是由一组长方形的薄金属板平行排列，加紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后板间形成密封的流体通道，且可用垫片的厚度调节通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有一对圆孔和一组板间流道相通，另外一对圆孔则通过在孔的周围放置垫片而阻止流体进入该组板间的通道。这两对圆孔的位置在相邻板上是错开的以分别形成两流体的通道。冷热流体交错地在板片两侧流过，通过板片进行换热。板片厚度约为0.5~3mm，通常压制成凹凸地波纹状。例如人字形波纹板。增加了板的刚度以防止板片受压时变形，同时又使流体分布均匀，增强了流体湍动程度和加大了传热面积，有利于传热。
2立方米以下的小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，大中型发酵罐大多是整体焊接。为了便于清洗，小型发酵罐罐顶设有清洗用的手孔 ，大中型发酵罐则要装设人孔，并在罐内设置爬梯，人孔的大小不但要考虑操作人员能方便进出，还要考虑安装和检修时，罐内最大部件能顺利放入或取出。罐顶还装有 视镜和灯孔以便观察罐内情况，在视镜和灯孔近旁，必要时还装设无菌压缩空气或蒸汽的吹管，用以冲洗玻璃。装于罐顶的接管有：进料口、补料口、排气口、接种口和压力表等，装于罐身的接管有：冷却水进出口、空气进口、温度和其他测控仪表的接口。罐顶上面的排气口位置靠近罐中心的位置。这样，不仅防止或减少气泡的逃逸，而且由于抽吸作用，也减少了泡沫的产生。
发酵工厂设备的设计与选型
发酵工厂设备的设计与选型发酵工厂设备的设计与选型一、引言随着人们对食品质量和营养需求的不断提升，酸奶、面包、啤酒、酱油等发酵食品越来越受到欢迎。
发酵工厂设备是制造这些食品的基本设施之一，对于保证产品的质量和生产效率具有重要意义。
因此，发酵工厂设备的设计与选型是一个复杂而关键的工作，本文将对其进行详细介绍。
二、发酵工厂设备的基本原理发酵工厂设备是利用微生物在合适的环境条件下进行生长和代谢的过程，从而使原料转化为所需的发酵产品。
发酵工厂设备的基本原理主要包括选择合适的微生物菌种，提供适宜的温度、湿度、通风等环境条件，以及控制发酵过程中的各项参数，如pH值、氧气浓度、营养物质浓度等。
三、发酵工厂设备的设计与选型1. 设备容量的确定设备容量是指发酵设备所能容纳的原料量或产出量。
在设计发酵工厂设备时，需要根据生产需求、销售预测和设备投资预算等因素来确定设备容量。
同时，还需考虑设备的可扩展性，以便在未来生产需求增长时能够方便地进行扩容。
2. 设备类型的选择常见的发酵工厂设备包括发酵罐、发酵室、发酵槽等。
设备的选择应根据产品特性、工艺要求和生产规模来确定。
例如，对于酸奶生产，可选用发酵罐或发酵室；对于啤酒生产，需选用能够进行自动搅拌和温度控制的发酵槽。
3. 环境控制设备的选型发酵过程中的环境条件对于微生物的生长和代谢具有重要影响。
通常需要通过恒温器、湿度控制设备、通风设备等来实现对环境条件的控制。
选型时应考虑设备的精度、稳定性、可靠性等因素，并根据制作工艺的要求进行调整。
4. 自动控制系统的设计发酵过程中的各项参数如温度、湿度、pH值等需要进行实时监测和调整。
因此，需要设计一个可靠、稳定的自动控制系统。
该系统可以通过传感器实时获取各项参数，并通过控制器进行处理和调节，以保证发酵过程的稳定进行。
5. 清洗消毒设备的选择发酵工厂设备的清洗和消毒非常重要，以确保产品的卫生安全。
清洗消毒设备的选型需要考虑设备的清洗效果、能源消耗、维护保养等因素。
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思考？
• 口罩真能过滤细菌吗？
过滤除菌机理
• 常见悬浮于空气中的微生物粒子大小在0.5～2微 米之间，深层过滤所用的过滤介质-棉花的纤维直 径一般为16~20微米。充填系数为8%时，棉花纤 维所形成网格的孔隙为20～50微米，微粒随气流 通过滤层时，滤层纤维所形成的网格阻碍气流前 进，使气流出现无数次改变运动速度和运动方向， 绕过纤维前进，这些改变引起微粒以对滤层纤维 产生惯性冲击、阻拦、重力沉降、布朗扩散、静 电吸引等作用而把微粒滞留在纤维表面上。
• 1．生产能力的确定
– 对于连续操作的设备，其生产能力是在保证生产工艺 条件的基础上，单位时间通过设备的物料量，由工厂 的规模与物料衡算确定。
• 2．设备容积的计算
– 已知物料的流量V和逗留时间τ，可以计算出设备的有效 容量V有效：
• 3．设备数量的计算
• 4．设备主要尺寸计算
（三）专用设备设计常识 ——发酵罐
• 2立方米以下的小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接，大 中型发酵罐大多是整体焊接。为了便于清洗，小型发酵罐 罐顶设有清洗用的手孔 ，大中型发酵罐则要装设人孔，并
在罐内设置爬梯，人孔的大小不但要考虑操作人员能方便 进出，还要考虑安装和检修时，罐内最大部件能顺利放入 或取出。罐顶还装有 视镜和灯孔以便观察罐内情况，在视
第六章 设备的设计与选型
一、专业设备设计与选型的依据
• 由工艺计算确定的成品量、物料量、耗汽 量、耗水量、耗风量、耗冷量等。
• 工艺操作的最适外部条件(温度、压力、真 空度等)。
• 设备的构造类型和性能。
二、专业设备设计与选型的程序和内容
• (1)设备的工艺操作任务、工作性质、工作参数的确定。 • (2)设备选型及该型号设备的性能、特点评价。 • (3)设备生产能力的确定。 • (4)设备数量计算。 • (5)设备主要尺寸的确定。 • (6)设备的传动搅拌和动力消耗计算。 • (7)设备结构的工艺设计。 • (8)支撑方式的计算选型。 • (9)壁厚的计算选择。 • (10)材质的选择和用量计算。 • (1酵转化率
– 80％——提取率
112％——精制收率
– 1％——染菌率
3．设备容积的计算
• 式中
– V 设备的总容积(m3) – Va——24h内加工的成品或半成品的容积() – r——操作周期，包括预备时间、操作和清洗等辅助操作时间(h) – ϕ ——设备的填充系数，装有搅拌和冷却装置的或产生泡沫多的物
镜和灯孔近旁，必要时还装设无菌压缩空气或蒸汽的吹管， 用以冲洗玻璃。装于罐顶的接管有：进料口、补料口、排 气口、接种口和压力表等，装于罐身的接管有：冷却水进 出口、空气进口、温度和其他测控仪表的接口。罐顶上面 的排气口位置靠近罐中心的位置。这样，不仅防止或减少 气泡的逃逸，而且由于抽吸作用，也减少了泡沫的产生。
(一)间歇操作设备的设计计算
• 1．间歇操作设备生产能力的确定
– 生产能力的表示方法，一般为t／(罐·批)或m3／(罐·批)。 例如3000t／a味精厂选容积为100t的发酵罐，其生产能 力为：
– 100×70％×15％×48％×80％×112％ (1-1％)＝4.47[t ／(罐·批)]
– 100——发酵罐容积(t) 15％——发酵初糖浓度
• 直径确定后，可根据关系求出其他尺寸。
(二)连续操作设备的设计计算
• 设计的依据：
– (1)物料流量V(m3／s或t／s)：物料的流量V，是根据生 产规模，通过计算确定。
– (2)物料在设备中的逗留时间τ(s)：物料在连续操作设备 中的逗留时间则取决于生产工的要求。
– (3)物料在设备各部位的流速ω(m／s)。
料应取0.6～0.8，酒精发酵罐等取0.8～0.85，汽液分离器取0.7等
4．设备主要尺寸的计算
• 发酵工厂的设备多为容器型设备。不同的设备， 高径比有很大差别。锥形底制作容易，排料干净， 间歇操作采用较多。
• 通常根据已知容量V以及高径比、封头高度，列出 数学方程求出各部尺寸。
• 直径计算出来后，应将其值圆整到接近的公称直 径系数。然后校核总容量是否可满足工艺计算的 容量要求。如偏差太大，还要作相应调整，直到 符合要求。
谷氨酸发酵罐
1、罐体 2、搅拌器和挡板 3、消泡器 4、联轴器及轴承。 5、变速装置 6、空气分布装置 7、轴封 8、冷却装置
发酵罐制造
• 发酵罐为封闭式，一 般都在一定罐压下操 作，同时还需用蒸汽 进行空罐或实罐灭菌， 所以罐体是一个受压 容器，见图2。要根据 最大使用压力(一般采 用灭菌时的蒸汽压力， Pg＝0.25 MPa)来决定 钢板的厚度。罐体是 一个圆柱体，罐顶和 罐底采用椭圆形或碟 形封头，因为这种封 头比其他型式的封头 在同样使用压力下可 用较薄的钢板，
惯性冲击滞留机理
图1
拦截滞留作用机理
• 气流速度降到临界速度以下，微粒不能因惯性碰 撞而滞留于纤维上，捕+集效率显著下必,但随时 着气流速度的继续下降，纤维对微粒的捕集效率 又有回升。原因是微生物直径很细，质量很轻， 它随低速气流流动慢慢靠近纤维时，微粒所在的 主导气流流线受纤维所阻，而改变流动方向，绕 过纤维前进，并在纤维的周边形成一层边界滞流 区。滞流区的气流速度更慢,进到这滞留区的微粒 慢慢靠近和接触纤维而被粘附滞留,称为拦截滞留 作用
空气净化系统
• 一般每升高10米，空气中的含菌量就降低一个数 量级；城市的空气中含菌量较多，农村的空气中 含菌量较少，一般城市空气中杂菌数为3000~8000 个／立方米。
• 介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过 滤层，将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中， 而达到除菌的目的。目前常用的过滤介质有棉花、 活性炭、超细玻璃纤维、石棉滤纸、PVA烧结材料 过滤介质、烧结金属过滤介质等。
搅拌桨
平直叶涡轮搅拌器为什么要安一个圆盘呢 ？
• 通用式机械搅拌发酵罐中的平直叶涡轮搅拌器如果没有圆 盘，从搅拌器下方空气管进入的无菌空气气泡就会沿着轴 部的叶片空隙上升，不能被搅拌叶片打碎，致使气泡的总 表面积减少，溶氧系数降低；同时气泡大，上升速度快， 走短路，传质效果差。而安一个圆盘，大的气泡受到圆盘 的阻碍，只能从圆盘中央流至其边缘，从而被圆盘周边的 搅拌浆叶打碎、分散，提高了溶氧系数